针对轴电流抑制问题的碳纳米管材料场发射研究
沈阳工业大学电气工程学院的研究人员胡家鸣、白保东等，在2018年《电工技术学报》增刊1上撰文，针对电机的轴电流问题，提出一种利用碳纳米材料的场发射特性，通过非接触方式放电来抑制和消除轴电流的方法。
首先，介绍了碳纳米材料的优越性，分析了碳纳米材料的场致发射特性。然后，分析了发射体尖端与阳极金属板之间的距离对电场强度的影响。最后，利用探针台、显微镜等微距离实验设备对TNF300型号碳纳米管纤维进行非真空条件下的场发射实验，得出不同距离下的碳纳米材料的电压和电流曲线，对数据进行处理之后绘制场发射特性曲线，并对不同距离下的结果进行对比分析。
随着时代的发展，交流变频调速技术越来越成熟，因而变频电机的使用也变得越来越广泛。可是，由此产生的电机轴电流导致轴承故障甚至损坏造成严重事故的问题也不容忽视[1,2]。
在电力电子驱动电路的零序回路中产生的高频率共模信号会在电气设备中激发寄生阻抗，此寄生阻抗将会不断储存共模电能，而寄生电能在旋转机械的定子与转子之间的任意释放将会导致轴承、传动齿轮滑动界面等位置形成电腐蚀[3-5]，如图1所示。
传统做法是将轴承座对地绝缘，将导电电刷安装在轴承的内侧，将轴电流经过电刷导出；或者在电机的气隙中间插入金属箔，并保证金属箔与铁心绝缘并且接地。这样做可以有效地防止轴电流的产生[6]。
然而，由于实际情况中轴承的绝缘性很差或者在轴承润滑油之中存在着很小的异物导致接地且难以查明，电机在这种状态下运行时间久了仍会损坏轴承。而另一种方法中，接地的电刷在长期使用过程后存在磨损问题，时间久了易导致接触不良，仍然会产生电腐蚀等问题。
图1 轴承表面电腐蚀
为此，本文提出一种方法来改变轴电流的路径，即利用场发射特有的距离小、非接触的特点来消除轴电流。而所用的场发射阴极材料是碳纳米材料。
碳纳米管，又名巴基管，是1991年由日本电子公司的饭岛澄男博士发现的一种新型碳结构，可以看成是石墨薄片沿某一方向卷曲而成的无缝、中空的管体。
碳纳米管一般分为单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs），具有直径小、纵横比大的特点，可视为准一维材料，如图2所示。组成纳米碳管的碳-碳共价键是在自然界中最稳定的化学键，理论计算和实验表明，纳米碳管具有极高的强度和极大的韧性[7]。
图2 单壁碳纳米管和多壁碳纳米管
碳纳米管的电子能带结构特殊，量子效应明显，具有发射阈值低、发射电流密度高、场稳定性高的优质场致发射性能[8]。
在新的时代，有关纳米材料的研究与应用技术将为发展新型材料提供新的思路，也为常规的复合材料研究提出了新的方向。通过对纳米材料的合成及其性质的研究，势必会将现阶段各项研究领域推向一个新的层次，也必将带来新的机遇和挑战。因此，使用碳纳米材料的特殊性质来改善电机的轴电流问题对探索一维碳纳米材料在场发射方面的应用具有深远的意义[9]。
图5 实验仪器
图6 碳纳米管纤维与阳极在显微镜下成像
本文针对电机轴电流的抑制问题，提出利用碳纳米材料的场发射特性来实现在空气中非接触放电的方法。通过仿真与实验分析得出对于TNF300型号碳纳米管纤维，距离为41.65μm左右时发射电流值能够达到2nA左右，F-N曲线更接近一条直线，发射稳定，为该型号碳纳米纤维的最优发射距离。
由于每种型号的碳纳米材料的长径比不同，功函数也不同，所以我们得出每种型号的碳纳米材料都有自己的最优距离。
由于本文所提出的理论研究所应用的环境是在空气条件下，这与其他论文中普遍提到的场发射实验所处的真空条件不同，对于研究轴承电流的抑制问题具有重要意义。