一、什么是轴电流？

轴电流，顾名思义，是流经电机转轴的电流，通常由电机内部或外部电磁感应产生。这种电流在转轴与轴承间形成电位差，进而穿过润滑油膜甚至击穿油膜，导致轴承滚动体和滚道出现电蚀（电击穿痕迹），从而引起噪音、振动和过早失效。

二、交流电机轴电流的产生机制

2.1 电磁感应原理

根据法拉第电磁感应定律，只要有磁通变化，就会在导体中产生感应电动势。当电机的磁场不均匀或有非对称分布时，转轴作为导体，会在其路径中形成电压差，从而产生轴电流。

2.2 高频漏电流耦合

在变频器控制的异步电机中，PWM波形中含有大量高频分量，这些频率可达几千赫兹甚至几十千赫兹。高频信号经由电容耦合、电缆或定子绕组间形成的分布电容进入转轴，形成高频轴电流。

2.3 不对称磁场与偏心

当转子不平衡、气隙偏心、定子绕组不对称或磁通存在谐波成分时，也会产生交变磁通，形成感应轴电压，进而形成闭合回路的轴电流。

三、轴电流的典型来源分类

四、轴电流的危害分析

4.1 轴承电蚀

轴电流最直接的后果是轴承电蚀（fluting damage）。轴承内滚珠与滚道表面出现凹坑状或条纹状痕迹，最终导致机械间隙增加、噪音升高、寿命缩短。

4.2 设备振动与故障停机

轴承损坏导致电机振动增强，可能对机座、支架、负载设备造成结构损伤，进而引发整机停机或维修成本飙升。

4.3 信号干扰与误动作

轴电流引入的高频干扰可能耦合至控制系统、编码器等弱电环节，导致控制误动作、信号漂移或通讯异常。

五、哪些因素会加剧轴电流？

5.1 使用变频器控制

变频器输出的PWM波形带有尖锐边沿和高dv/dt，对系统的分布电容形成较强激励，是造成高频轴电流的主要元凶。

5.2 地线不良或单点接地不当

不规范接地会导致轴电流绕经轴承回流，应采用多点接地或共模电流隔离措施。

5.3 电机功率越大，风险越高

功率越大的电机，其内部磁场能量越大，转子结构更复杂，更容易形成感应电压。

5.4 高速运行或油膜不完整

高速电主轴在润滑油膜破裂或过薄时，容易造成轴承间放电，是静电轴电流频发的场景。

六、如何检测轴电流？

6.1 示波器检测法

通过高频电流探头测量轴与地之间的电流波形，可以清晰捕捉到高频脉冲信号。

6.2 轴电压测试

使用高阻抗探头测量转轴与地之间电压，若电压幅度较高（>1V），可能存在危险性轴电流。

6.3 轴承失效分析

如发现电蚀痕迹、烧蚀斑点、异常温升等，也可反推存在轴电流问题。

七、防止轴电流的有效措施

7.1 安装轴电流隔离装置

• 绝缘轴承（Insulated Bearing）：在外圈或内圈使用陶瓷或氧化铝涂层

• 绝缘联轴器：打断电流通路

• 轴接地刷（Grounding Brush）：在轴上引出接地路径，提供低阻抗放电路径

7.2 采用电机专用滤波器

在变频器输出端添加共模扼流圈（CM choke）或轴电流抑制滤波器，削弱高频干扰。

7.3 接地系统优化

• 实现多点屏蔽接地

• 电机外壳、控制柜、负载结构应形成等电位连接

• 避免地回路不闭合或电压差

7.4 选择低dv/dt输出的变频器

使用具有缓启动、低dv/dt控制策略的变频器模块，有效减缓轴电流耦合风险。

八、实际案例分析与工程建议

案例：某工厂生产线上异步电机频繁更换轴承

分析发现该设备采用变频器调速，轴承寿命不到1年即发生异常。经测试发现转轴与地之间存在近3V的高频电压，进一步检查发现：

• 使用普通轴承，未采取绝缘措施；

• 接地仅在电机尾部，地阻偏高；

• 未加滤波器。

整改措施：

1. 更换为绝缘轴承；

2. 加装轴电流接地环；

3. 优化接地系统并加装共模滤波器。

整改后，设备已连续运行18个月，轴承无明显磨损。

九、总结与建议

轴电流问题虽看似“细小”，实则影响深远，特别是在变频驱动系统中，其危害不容忽视。我们在交流电机的选型、控制系统设计与安装调试中，应特别关注以下几点：

• 正确识别轴电流来源与种类；

• 合理选择防护措施，特别是在高功率、高频驱动环境中；

• 加强现场检测与预防性维护。

只有通过科学的设计与工程控制，才能从根源上杜绝轴电流引发的设备故障，提高电机系统的整体可靠性与寿命。