CST电动汽车EMC仿真（三）- 初探轴电压

作者 | Zhou Ming

注：图片来自互联网。

轴电流是影响电机寿命的重要因素之一。正常情况下，轴承的内圈和外圈之间的润滑油膜可以起到绝缘的作用，轴电流接近为零；当轴承内、外圈之间的轴电压增加到一定数值时，尤其在电机启动时，润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜产生轴电流放电，瞬态电流可达到几百安以上。由于放电位置的金属接触面很小，电流密度大，造成轴承局部被烧熔，于是在轴承内表面上烧出小凹坑或凹槽（如上图所示）。整车上的表现主要是电机运转不平稳，产生震动，噪声变大。

轴电流由轴电压产生，由于轴电流的放电具有一定的电荷累积效应和随机性，因此直接仿真轴电流难度是非常大的。相比之下，我们可以通过仿真轴电压的大小，间接地判断造成轴电流的风险，这样的仿真同样非常有价值。在对轴电压进行仿真分析的过程中，我们参考了PH.D. Peng Han在IEEE发表的论文，作者对轴电压的产生机理以及建模方法有详细的介绍，在这里也对论文的作者PH.D. Peng Han表示感谢。我们这次是基于CST软件，向大家介绍一种基于全3D建模的轴电压仿真思路，可以精确地评估出轴电压的大小及风险度。

创建轴承的3D模型

轴承的主要3D结构主要由内圈、外圈、保持架及钢球组成。轴承在转动过程中，钢球和内外圈之间会有一层油膜，可以起到绝缘的作用。在CST的建模过程中，我们只需要保留内圈、外圈的结构，在内外圈之间添加 port，来模拟内、外圈的分布电容大小。

创建轴电压的系统级仿真模型

将已经创建好的电机、MCU控制器、轴承等模型组装到一起，就构成了完整的轴电压仿真模型，这个模型和电驱系统EMC仿真非常类似。

搭建外围电路、设置电机驱动信号

轴电压仿真外围电路与电驱系统EMC仿真的电路非常近似，区别之处在于几个关键的分布电容的设置。参考论文中Fig6给出了轴电压的等效电路图，Cws是绕组对定子，Cwr是绕组对转子，Csr是定子对转子，Cb是轴承内外圈的等效电容。在仿真建模初期，需要借助测量手段得到准确的电容值，这是精确仿真轴电压的前提条件。在设置Cb的容值时，我们也参考了论文中的测量结果。

轴电压仿真结果及机理分析

轴承在稳态工作下，共模电压CMV是由Cws、Cwr、Csr、Cb共同作用产生的，轴电压Vb的大小等于Cws的电压减去Csr的电压，这就是轴电压产生的根本原因。下图是仿真出来的Cws和Vb电压波形。

Cws电压波形vs Vb电压波形

把Cws的电压波形和Cwr的电压波形相减，再和Vb上的电压波形相比较，可以看到这两个电压波形完全一致。

Vb电压波形

从原理上来说，减小Cwr的值就可以减小轴电压。但从实际工程的角度来说这并不容易实现，因为Cwr是由三维结构设计决定的，小伙伴们可以开动脑筋，想出好的办法就可以申请专利。现阶段工程师常用的一个解决办法，就是采用绝缘轴承。那么绝缘轴承能否降低轴电压呢？

绝缘轴承的3D模型

我们通过仿真对比增加绝缘层前后轴电压的变化，从仿真结果来看，Vb2（绝缘后）的电压要明显小于Vb1（绝缘前），说明绝缘轴承确实能起到降低轴电压的作用。感兴趣的小伙伴还可以分析下绝缘层厚度对轴电压的影响。