变频工况下电机温升与轴承电流的特征分析，含抑制措施

一、变频供电与工频供电的差异

变频器通过脉宽调制方式输出电压，输出波形并非正弦，而是由一系列幅值相同、宽度按正弦规律变化的脉冲组成。与工频正弦供电相比，这种波形含有丰富的高频谐波成分，且电压上升沿陡峭，dv/dt 数值远高于工频场合。

差异带来的影响集中在三处：绕组中的谐波电流增加附加铜损与铁损；陡峭的电压上升沿在绕组匝间产生不均匀的电压分布，加大绝缘承受的电应力；共模电压通过寄生电容耦合，在轴上形成轴电压。理解这三点是分析变频工况下电机运行特征的基础。

二、谐波对电机损耗的影响

谐波电流在绕组中产生附加铜损，其大小与频率的平方相关，高频分量的影响被显著放大。同时谐波磁场在定转子铁心中引起附加铁损与表面损耗，在笼型转子的导条中还会引起高频电流，造成附加转子损耗。

损耗增加的直接结果是效率下降与温升上升。在相同输出转矩下，变频供电时的总损耗通常高于工频供电，温升也随之提高。评估时应以实际供电波形下的损耗为依据，不能直接套用工频条件下的效率数据。

三、变频工况下的温升特征

变频工况的温升特征与转速密切相关。在额定转速以下，电机通常采用恒转矩控制，电流基本保持不变，但转速下降使自带风扇的冷却风量按转速的三次方左右下降，散热能力明显减弱，因此低速时的温升往往高于额定工况。

在额定转速以上进入恒功率区，磁通减弱，铁损下降但定子电流中的励磁分量变化，总体损耗的构成随之改变。此时若长期运行在弱磁区，绕组端部与铁心的温度分布会与额定工况不同，测温点的选择应覆盖这些区域。

温升还与调制频率有关。载波频率提高可改善电流波形、降低谐波损耗，但同时增加变频器自身的开关损耗与电机的容性电流。载波频率的选择需要在波形质量与整体损耗之间权衡。

四、低速运行时的散热问题

• 自带风扇冷却效果随转速下降，长时间低速运行时绕组温升可能超过额定值。
• 采用独立风机强迫通风可解决低速散热问题，但需确认风量覆盖整个机壳表面。
• 低速大转矩工况下电流较大，铜损占比高，是温升控制的关键工况点。
• 频繁启停与低速运行叠加时，热循环次数增加，绝缘与轴承的疲劳累积加快。
• 环境温度较高时应重新核算许用输出，必要时降低连续运行转矩。
• 测温元件应布置在绕组端部与铁心部位，仅测量机壳温度不足以反映绕组实际温度。

五、轴承电流的产生机理

变频器输出的共模电压通过电机内部的寄生电容耦合到转轴，使轴对地电位升高。当轴电压超过轴承润滑膜所能承受的数值时，润滑膜被击穿，形成放电电流，这一现象称为电蚀。放电电流的幅值可能不大，但放电能量集中在极小的接触面积上，局部温度瞬时升高。

轴承电流按形成机理可分为三类：由共模电压经寄生电容耦合产生的容性电流；润滑膜击穿后形成的放电电流；以及磁路不对称引起的高频环流。前两类与变频供电直接相关，第三类在电机本身磁路不对称时也会出现。

六、轴承电流的损伤形式

轴承电流造成的损伤在早期不易发现，表现为润滑脂颜色变深、出现焦糊气味。发展到一定程度后，滚道表面出现细密的搓板状纹路，纹路间距与放电位置相对应。这种纹路会增大振动与噪声，并加快润滑脂劣化，形成恶性循环。

损伤的进一步发展是滚道出现凹坑与剥落，轴承游隙增大，振动频谱中出现明显的轴承特征频率成分。此时轴承已进入不可逆损伤阶段，只能更换。因此轴承电流的防治重点在于早期识别与抑制，而不是等到出现明显振动才处理。

七、抑制措施与工程做法

• 使用接地环或轴接地电刷，为轴电流提供低阻抗通路，使其不经过轴承。
• 采用绝缘轴承或绝缘端盖，把轴承与轴电流回路隔断。
• 缩短变频器与电机之间的电缆长度，减小共模电压的幅值与耦合强度。
• 使用输出电抗器或 dv/dt 滤波器，降低电压上升率，减轻绝缘与轴承承受的电应力。
• 采用对称屏蔽电缆并保证屏蔽层两端可靠接地，减少共模电流的返回路径阻抗。
• 选用导电性良好的润滑脂，降低润滑膜击穿的概率。

八、运行监测与判定依据

运行监测应覆盖温度、振动与电气三方面。温度方面记录绕组与轴承温度的变化趋势；振动方面关注高频段能量与轴承特征频率成分的增长；电气方面可在轴与地之间测量轴电压，判断是否存在持续的共模电压。

判定依据可归纳为：低速连续运行时绕组温升超过额定工况水平；轴承温度上升且润滑脂颜色异常；振动频谱中高频段能量持续增长并出现轴承特征频率；轴电压测量显示明显的共模分量。上述现象出现两项以上时，应检查轴承电流的抑制措施是否完整有效，并核对电机的散热条件。

九、常见问题

问：变频运行时电机温度明显高于工频运行，是否属于正常现象？答：一定程度的温升上升是变频供电的固有特征，源于谐波附加损耗。但若温升超过绝缘等级的允许限值，或明显高于同工况下的历史记录，则应检查载波频率设置、散热条件与负载情况，不能简单视为正常。

问：电机低速运行时转矩充足但温度偏高，应如何处理？答：优先检查冷却条件。自带风扇的冷却风量随转速下降，低速工况应考虑改用独立风机强迫通风。同时核对是否长期运行在低速大电流区间，必要时调整工艺参数或降低连续运行转矩。

问：轴承出现异响，如何判断是否由轴电流引起？答：可结合润滑脂状态与振动频谱判断。轴电流损伤的润滑脂会变深并带有焦糊气味，振动频谱中高频段能量增长明显。此外可测量轴电压，若存在明显的共模分量且抑制措施不完整，则轴电流的可能性较大。

问：已经安装了接地环，为什么轴承仍出现损伤？答：应检查接地环的安装状态与接触可靠性，包括碳刷磨损、接触面清洁度与接地回路的阻抗。接地环失效或接地路径阻抗过高时，轴电流仍会部分流经轴承，需要按周期检查并更换易损件。

十、结语

变频工况下电机的运行特征，集中在谐波附加损耗带来的温升上升，以及共模电压引起的轴承电流两方面。把温升与轴电流分开评价，分别对应散热条件与抑制措施，才能形成完整的判断路径。ABB 在电机与变频传动方向的技术资料，为损耗评估与轴电流抑制提供了参照。实际工作中可通过技术标准、厂商技术手册或行业资料库进一步查阅变频供电下电机的许用温升、轴电压测量方法与轴承保护要求，结合负载特性与运行环境确定检查方案。