20世纪90年代以来，功率半导体器件的发展和脉宽调制技术的进步，显著提高了变频电机驱动系统的动态性能，但是也带来一系列显著的负面效应。由于新一代电力电子器件开关速度和电压等级的提升，变流器开关动作的瞬间会产生具有高幅值、高dv/dt的共模电压，在电机内部感应出轴电压和轴电流，继而引发轴承电腐蚀，缩短轴承使用寿命，危害变频电机运行的可靠性和安全性。

那么轴电流是如何产生的呢？由于采用脉冲宽度调制的供电方式，变频器输出高频、高dv/dt的共模电压，通过电机内部寄生电容的耦合传导，在转轴与机壳之间感应出轴电压。当电机轴电压超过润滑油膜的绝缘阈值时，润滑油膜中储存的能量会以电弧放电的形式释放，形成电火花加工轴电流。电弧放电产生的高温，一方面导致轴承润滑脂过热炭化；另一方面在滚动体和滚道表面形成电弧烧蚀坑和球状金属颗粒。

在长期电蚀损伤和疲劳磨损的交互作用下，轴承损伤部位呈现“搓板纹”痕迹，伴随运行过程中的振动、发热和噪声等现象。变频电机高频轴电流的产生，一方面与共模电压在电机内部寄生电容上的耦合分压有关；另一方面与轴承润滑和载流摩擦特性有关。

图1 感应电机内部杂散电容分布

目前，针对变频电机轴承电蚀的抑制方法主要可以归为两类：第一类是阻断轴电流的流通路径或增大回路阻抗，达到抑制轴电流的目的，典型的有绝缘轴承、绝缘端盖、静电屏蔽等；第二类是采用低阻抗支路将轴承内外圈短接释放积累的电荷，降低轴承油膜承受的电压，如接地电刷、转子接地环等。相比于其他电蚀抑制措施，绝缘轴承具有安装便捷、可靠性高、通用性强的优势，在轨道交通、风力发电等诸多领域获得了广泛应用。

目前，国内外关于绝缘轴承的研究主要集中在绝缘轴承本体设计的角度，研究绝缘涂层的制备技术和性能优化方法。李庆林对陶瓷喷涂绝缘轴承涂层的制备技术、涂层各项性能检测方法等进行了分析。河南科技大学、捷太格特公司、斯凯孚公司对复合陶瓷涂层材料设计及其相应制备技术进行研究，进一步提高了传统喷涂绝缘轴承的性能。刘丽斌等分析了绝缘轴承涂层的性能及其影响因素，如孔隙、封孔技术、温度等。

王龙华以抑制牵引电机轴承电腐蚀为目标，从绝缘涂层材料、涂层厚度及轴承寿命等方面对绝缘轴承进行设计。对于绝缘轴承对轴电流抑制效果方面，刘瑞芳等分析了陶瓷喷涂绝缘轴承和混合绝缘轴承对轴电流的抑制效果，指出混合陶瓷轴承由于较大的绝缘距离能够完全解决轴电流问题。A. Muetze等分析了不同厚度绝缘涂层对轴电流的影响，发现随着绝缘涂层厚度增加，轴电流减小。Han Peng等通过实验对比发现，两端采用绝缘轴承比一端采用绝缘轴承时，轴电流有所下降。

图2 绝缘轴承涂层示意图

目前工业变频电机主要使用绝缘轴承应对轴电流造成的轴承电腐蚀。虽然依靠绝缘涂层的高电阻值对低频的轴电流具有良好的抑制作用，但变频器引起的轴电流以交流高频成分为主，绝缘涂层在高频下的电容作用凸显，构成高频轴电流的耦合通路，因此电蚀失效问题仍然普遍存在。

理论上，增加绝缘涂层厚度可以提高轴承绝缘性能，但是会引起绝缘涂层与轴承基体的结合强度的降低，脆性增加，在磕碰中更容易发生掉块、碎裂，造成绝缘失效。由此可见，缺乏规范化的绝缘涂层电气参数设计标准是目前绝缘轴承制造和应用过程中的关键问题，绝缘轴承对变频电机高频轴电流的抑制效果有待进一步理论分析和实验研究。

本文摘编自《电工技术学报》，原文标题为“绝缘轴承对变频电机高频轴电流的抑制机理与效果”，作者为北京交通大学电气工程学院李知浩、刘瑞芳等。