绝缘轴承

绝缘轴承定义

绝缘轴承包括所有能够阻止电流通过的滚动轴承。无论是内圈还是外圈带陶瓷涂层的轴承都称为绝缘轴承。陶瓷涂层能够防止电流通过，具有绝缘能力。混合式轴承的滚动体由陶瓷材料制成，因此也具有绝缘能力。它是由轴承的滚动体来防止电流通过的。

电机中使用绝缘轴承的原因

过电流会发生在以下应用的滚动轴承中：

1）轮对轴承和牵引电机（轨道车辆）

2）直流和交流电机 (动力传输系统 )

3）发电机 (风电 )

在不利的工况下，这可能导致滚道和滚动体的损坏及润滑剂的老化 ，从而引起电机或发电机过 早发生故障。除了需要支付维修费用外，还会增加由于停机和停产带来的额外成本。一个比较经济的解决方案就是在电机设计阶段就使用绝缘轴承。这将大大降低设备的维护费用，并能提高机器的利用率，这些都意味着会为客户带来巨大价值。一般来说，根据应用场合的不同，只要将电机的一侧或者两侧轴承换成绝缘轴承，就能够完全切断轴承座和轴之间的电流。如下图： 

一般来说，完全消除掉轴承内部的电势差是非常困难的。然而，如果我们能够阻止或大大降低通过轴承的电流，就可以防止轴承发生电腐蚀。目前各种绝缘轴承都是为了这个目的而设计的。根据产生电压类型的不同，来选择轴承的绝缘方式。  

设计和安全指导

过电流导致的典型轴承损伤

不管轴承通过直流电还是交流电 (频率在 MHz 以下 )，我们总能在轴承内部发现同样的破坏形式。

滚道和滚动体上的痕迹在多数情况下，我们都能在滚道和滚动体表面发现均匀的暗灰色痕迹。但是这个视觉特征不是特定的，有时也有可能由其它因素引起，例如润滑剂中含有研磨剂成分，

电蚀沟痕所谓的电蚀沟痕是指滚道面在运转方向上有连续的周期性沟痕。这类现象大多是由于轴承通过电流所导致，如下图：

损伤结构只有通过扫描电子显微镜 (SEM) 我们才会明显的看到几乎所有的损伤表面都密布着凹坑和 μm 级的焊点，如下图：  

轴承损伤的发展过程

这类凹坑和焊点的形成是由于在滚道和滚动体表面微小的接触点间发生电流放电所导致。在全流体润滑状态下，电流会击穿油膜的薄弱点，电火花产生的能量会在瞬间熔化相邻金属的表面。

在混合摩擦状态下(金属与金属相接触) ，相邻表面也会发生熔合，但随着轴承的运转又会被迅速地分开。在这两种情况下，都会有材料从金属表面脱离，然后立刻凝固成焊点。也有一些焊点会混入润滑剂，另一些还会沉积在滚道表面。随着轴承的不断运转，这些焊点和凹坑也会被碾压磨平。在持续电流的作用下，在相邻表面的很薄的表层上会重复多次上述熔化和凝固的过程。

然而，在多数电腐蚀轴承的内部，更容易发现电蚀沟痕，第6页，图4。这类滚道和滚动体上的周期性痕迹是持续过电流和轴承部件振动的综合影响所致。当滚动体滚过一个足够大的凹坑时，它会产生纯径向位移，位移的程度取决于轴承的内部几何尺寸、速度和轴承载荷。当滚动体来回摆动时，润滑油膜的厚度会发生变化，同时会在该区域产生更多的放电火花，这种自激式过程就被激发了。一段时间以后，套圈滚道的整个圆周方向上都布满了电蚀沟痕。这会引起比较明显的轴承振动，最终导致整个轴承的失效。

实践表明，评估轴承过电流风险等级的一个可靠原则是计算通过轴承的电流密度，换句话说就是有效的安培数分别除以滚动体与内圈或外圈滚道的全部接触面积。这与轴承的型号和运转工况有关。当电流密度小于0.1 A mm-2时，按照我们目前的经验通过的电流不会造成轴承的损坏。然而当电流密度等于或大于1 Amm-2时，轴承内部就会出现明显的电蚀沟痕。

电流对润滑剂的影响

电流通过对润滑剂也会有负面影响。其中的基础油和添加剂会发生氧化和裂化。在红外光谱图中可以清晰看到这个变化。过早老化和铁类金属微粒的聚集会导致润滑剂性能变坏，也可能导致轴承过热运转。

陶瓷涂层轴承

陶瓷涂层轴承是外圈或内圈带绝缘陶瓷涂层的标准轴承，如下图：

混合式轴承

绝缘轴承的另一个选择是九星的混合式轴承。混合式轴承的套圈由滚动轴承钢制成，滚动体由陶瓷材料制成。其滚动体非常耐磨并且具有非常好的电绝缘性能。如图：

混合式轴承的优点

如下优点:

■混合式轴承在电流回路中具有非常高的阻抗值。即使在高温下，直流电阻值仍然在GΩ范围内。电容值约40 pF，这比带绝缘涂层的轴承低了近100倍。

■混合式轴承由于摩擦更低所以允许更高的转速，而且在运转时温升也更低。

■混合式轴承与标准轴承相比运转性能更好。

其他特性

与标准钢球轴承相比，混合式球轴承具有:

■不同的基本额定动载荷Cr

■基本额定静载荷Cor低30%

■极限转速nG高20%。

另外，与带润滑脂的标准轴承相比混合式轴承的润滑脂寿命更长

对于小尺寸的滚动轴承来说，混合式轴承要比陶瓷涂层的轴承更经济。

绝缘轴承在三相电机中的应用实例

对于三相感应电机，常用带外圈涂层的深沟球轴承来防止电腐蚀的发生。

防止电机内部的感应电压产生电流破坏轴承。

在该三相电机的风扇端使用一个带绝缘层的深沟球轴承九星 6316/C3V3031A，驱动端使用一个普通深沟球轴承九星 6320/C3,图1。带绝缘层的深沟球轴承切断了沿轴产生的感应电压引起的电流回路。两端轴承都采用脂润滑。需要安装再润滑装置。