CST電動汽車EMC仿真（三）- 初探軸電壓

來源：CST仿真專家之路更新時(shí)間：2024-06-26 閱讀：

作者 | Zhou Ming

注：圖片來自互聯(lián)網(wǎng)。

軸電流是影響電機(jī)壽命的重要因素之一。正常情況下，軸承的內(nèi)圈和外圈之間的潤滑油膜可以起到絕緣的作用，軸電流接近為零；當(dāng)軸承內(nèi)、外圈之間的軸電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，尤其在電機(jī)啟動時(shí)，潤滑油膜還未穩(wěn)定形成，軸電壓將擊穿油膜產(chǎn)生軸電流放電，瞬態(tài)電流可達(dá)到幾百安以上。由于放電位置的金屬接觸面很小，電流密度大，造成軸承局部被燒熔，于是在軸承內(nèi)表面上燒出小凹坑或凹槽（如上圖所示）。整車上的表現(xiàn)主要是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，產(chǎn)生震動，噪聲變大。

軸電流由軸電壓產(chǎn)生，由于軸電流的放電具有一定的電荷累積效應(yīng)和隨機(jī)性，因此直接仿真軸電流難度是非常大的。相比之下，我們可以通過仿真軸電壓的大小，間接地判斷造成軸電流的風(fēng)險(xiǎn)，這樣的仿真同樣非常有價(jià)值。在對軸電壓進(jìn)行仿真分析的過程中，我們參考了PH.D. Peng Han在IEEE發(fā)表的論文，作者對軸電壓的產(chǎn)生機(jī)理以及建模方法有詳細(xì)的介紹，在這里也對論文的作者PH.D. Peng Han表示感謝。我們這次是基于CST軟件，向大家介紹一種基于全3D建模的軸電壓仿真思路，可以精確地評估出軸電壓的大小及風(fēng)險(xiǎn)度。

創(chuàng)建軸承的3D模型

軸承的主要3D結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)圈、外圈、保持架及鋼球組成。軸承在轉(zhuǎn)動過程中，鋼球和內(nèi)外圈之間會有一層油膜，可以起到絕緣的作用。在CST的建模過程中，我們只需要保留內(nèi)圈、外圈的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外圈之間添加 port，來模擬內(nèi)、外圈的分布電容大小。

創(chuàng)建軸電壓的系統(tǒng)級仿真模型

將已經(jīng)創(chuàng)建好的電機(jī)、MCU控制器、軸承等模型組裝到一起，就構(gòu)成了完整的軸電壓仿真模型，這個(gè)模型和電驅(qū)系統(tǒng)EMC仿真非常類似。

搭建外圍電路、設(shè)置電機(jī)驅(qū)動信號

軸電壓仿真外圍電路與電驅(qū)系統(tǒng)EMC仿真的電路非常近似，區(qū)別之處在于幾個(gè)關(guān)鍵的分布電容的設(shè)置。參考論文中Fig6給出了軸電壓的等效電路圖，Cws是繞組對定子，Cwr是繞組對轉(zhuǎn)子，Csr是定子對轉(zhuǎn)子，Cb是軸承內(nèi)外圈的等效電容。在仿真建模初期，需要借助測量手段得到準(zhǔn)確的電容值，這是精確仿真軸電壓的前提條件。在設(shè)置Cb的容值時(shí)，我們也參考了論文中的測量結(jié)果。

軸電壓仿真結(jié)果及機(jī)理分析

軸承在穩(wěn)態(tài)工作下，共模電壓CMV是由Cws、Cwr、Csr、Cb共同作用產(chǎn)生的，軸電壓Vb的大小等于Cws的電壓減去Csr的電壓，這就是軸電壓產(chǎn)生的根本原因。下圖是仿真出來的Cws和Vb電壓波形。

Cws電壓波形vs Vb電壓波形

把Cws的電壓波形和Cwr的電壓波形相減，再和Vb上的電壓波形相比較，可以看到這兩個(gè)電壓波形完全一致。

Vb電壓波形

從原理上來說，減小Cwr的值就可以減小軸電壓。但從實(shí)際工程的角度來說這并不容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镃wr是由三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定的，小伙伴們可以開動腦筋，想出好的辦法就可以申請專利。現(xiàn)階段工程師常用的一個(gè)解決辦法，就是采用絕緣軸承。那么絕緣軸承能否降低軸電壓呢？