学术简报｜交流电机高频轴电流集中参数模型与分布参数模型的对比研究
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北京交通大学电气工程学院的研究人员任雪娇、刘瑞芳，在2018年《电工技术学报》增刊2上撰文指出，PWM变频调速技术的广泛应用给电机带来了高频轴电流的问题，引起轴承早期失效，严重危害交流电机的安全、可靠运行。电机高频等效模型的准确性对轴电流的预测有直接影响。
本文首先通过解析和仿真方法对电机集中参数模型和三相分布参数模型进行对比分析，分析表明，两种模型的轴电流幅值相近，但振荡频率不同；其次研究了沿轴向分段的电机高频分布参数模型对轴电流预测的影响，研究表明分段数会影响轴电流幅值，合理的分段数与电机的尺寸和轴电流频率范围相关；最后将分析结果与实验结果进行对比，结果显示通过分段分布参数模型得到的轴电流幅值比集中参数模型更接近于实测值。
得益于电力电子技术的高速发展，目前电机拖动系统中采用PWM变频调速系统具有降低谐波、简化变频调速结构、减小转矩脉动等特点，因此在工业上得到了广泛的应用。然而高频的IGBT开关工作模式也带来很多负面影响，如对电机绕组绝缘产生了一定的危害，增加了系统的电磁干扰，还会引起电机高频轴电流从而导致轴承早期失效和损坏。
电机采用PWM变频驱动系统时，变频器输出的共模电压会施加在电机绕组和地之间，而电机内部存在寄生电容，共模电压在电容耦合作用下，在电机轴承内外圈产生高频轴电压。轴电压高于轴承电容的阈值电压时轴承的润滑油膜会被击穿，发生放电，此时击穿电流会在很短的时间产生巨大的热量，最终导致击穿点附近的金属融化，产生坑点。
一旦轴承受到电腐蚀而产生蚀点、凹槽，电机运行时的振动和噪声就会增加，直接影响了电机运行的可靠性。如果轴承腐蚀进一步恶化，引起电机故障，会造成经济损失，甚至导致人员伤亡。因此预测和抑制轴电流的研究具有重要的工程意义。
目前，采用基于多导体部分电容的电磁场数值计算方法可以准确获得电容的参数。多种轴电流等效电路结构也已被提出。文献[10]将杂散电容集中布置于电机三相绕组中点之后；文献[11]考虑到轴电流为高频信号，采用三相分布参数模型将各相绕组对地的杂散电容和绕组对转子的杂散电容分布于绕组中；文献[13]采用分段的分布参数模型，即沿轴向长度将绕组的等效电阻、电感和杂散电容分三段建模。
但是，轴电流模型采用集中参数模型是否可行，三相分布参数模型与集中参数模型的结果是否等效，考虑高频效应进行轴向分段的分布参数模型与集中参数模型的分析结果有何不同，分三段是否合理等问题都还未被讨论过。因此本文对轴电流问题中等效电路模型进行研究，对集中参数模型和三相分布参数模型进行电路分析和仿真，并将两种模型进行对比分析；研究了分段数对轴电流的影响；最后对变频供电交流电机轴电流进行测试，以验证本文的分析结果。
图12 实验平台
本文对变频供电交流电机的轴电流等效电路模型进行了分析，并进行了实验测试，得到以下结论：
1）对比集中参数模型和三相分布参数模型，发现两种模型的轴电压幅值和轴电流幅值相同，三相分布参数模型的振荡频率是集中参数模型的1.4倍。集中参数模型结构简单，而三相分布参数模型可以分析不对称故障问题。因此可以根据具体问题选择不同的模型。
2）研究了分布参数模型的分段数对轴电流的影响，满足计算精度的分段数与电机的尺寸、高频轴电流和轴电压的频率有关。
3）对集中参数模型和分布参数模型进行了仿真，并与实测结果进行了对比。发现分布参数模型的仿真结果与实测结果更接近。