کیهان تابلو | مرکز تخصصی درایو و اینورتر ( فروش و خدمات )
عمده ترین دلایل خرابی در بیرینگ موتور های الکتریکی مسائل مربوط به تنش های مکانیکی و گرما بوده ولی یکی دیگر از دلایل خرابی بیرینگ که در بیرینگ های نو و در کوتاه مدت نیز اتفاق می افتد، مربوط به جریان الکتریکی فرکانس بالای عبوری از بیرینگ می شود. درایوهای کنترل دور موتور، تولید کننده ولتاژ مد مشترک فرکانس بالا هستند لذا در موتورهای الکتریکی کنترل شده با درایو که سیم پیچ استاتور آنها تحت ولتاژهای فرکانس بالا قرار دارند این پدیده (خرابی بیرینگ ناشی از جریان الکتریکی) بیشتر خود را نشان می دهد. از جمله راه های جلوگیری از بوجود آمدن جریان بیرنگ می توان به استفاده از فیلتر du/dt و فیلترهای ولتاژ مد مشترک در خروجی درایو، طراحی های نو آورانه در اینورترها، استفاده از حلقه های زمین کننده شفت موتور و استفاده از بیرینگ هایی با خاصیت عایقی الکتریکی مثل بیرینگ های سرامیکی اشاره کرد.
هنگامی که ولتاژ مد مشترک در کلاف های سیم پیچ استاتور ظاهر می شود ولتاژی بر روی بدنه استاتور و بدنه روتور القا شده که اختلاف موجود بین آنها باعث ایجاد جریانی گردشی از بدنه استاتور به بدنه روتور می شود. در سر راه جریان مذکور بیرینگ ها وجود دارند که با توجه به مقدار اختلاف پتانسیل موجود در دو سمت بیرینگ، از آنها جریان عبور می کند.
بیرینگ ها اغلب به صورت امپدانسی غیرخطی و مختلط در مدل موتور نمایش داده می شوند. اما به صورت ساده، در حالت ایستا و یا در سرعت های زیر ۱۰۰ دور بر دقیقه، لایه روانکار موجود در بیرنگ (روغن یا گریس) در حد نانو متر ضخامت داشته و در صورت وجود ولتاژ در دو سر بیرینگ الکترون ها به آسانی با توجه به پدیده تونلی در مکانیک کوانتوم از آن عبور می کنند و لذا در این حالت بیرینگ، امپدانسی اهمی از خود نشان می دهد. اما در سرعت های بالای ۱۰۰ دور بر دقیقه به خاطر پدیده هیدرودینامیکی، لایه روانکار بیرینگ دارای ضخامتی حدود ۱۰۰ برابر حالت قبلی شده و ضخامت آن به حدود میکرو متر افزایش می یابد و تا حدودی خاصیت عایقی به خود می گیرد و در صورت حضور ولتاژ در دو سر بیرینگ، شبیه به خازن عمل می کند.
جریان نشتی موجود در محل بیرینگ معمولا به صورت تخلیه خازنی (ناشی از غلبه ولتاژ بیرینگ بر سد ولتاژی شکست عایقی مواد روانکار بیرینگ) بوده که با آرک های کوچک، تخلیه سریع انرژی و ایجاد گرما همراه است. این پدیده که حالت کنترل شده و مفید آن در صنایع ماشین کاری به روش تخلیه الکتریکی (EDM – Electrical Discharge Machining) یا ماشین کاری اسپارک معروف بوده و کاربردهای فراوانی دارد، در این مورد باعث آسیب رساندن به بیرینگ و متعلقات آن شده که در تصاویر زیر اثرات مخرب ناشی از این پدیده آشکار است.
شکل زیر مسیر جریان نشتی عبوری از بیرینگ را نشان می دهد. جریان بیرینگ می تواند مسیر خود را از راه های مختلفی از جمله مسیر بین بدنه روتور و استاتور به صورت چرخشی و مسیر بین روتور و زمین از طریق بدنه زمین شده استاتور ببندد.
ولتاژ مد مشترک یا Common Mode Voltage که آنرا با Vcm نیز نشان می دهند در واقع جمع ولتاژهای هر سه فاز است و در سیستم های متعادل مقدار آن صفر است. لذا طبیعی است که در سیستم های سه فاز متعادل، نوترال دارای ولتاژ صفر باشد. عدم تقارن مدار مغناطیسی در موتور و استفاده از درایو از جمله عوامل تولید کننده ولتاژ مد مشترک هستند. در هنگام استفاده از درایوهای کنترل دور موتور برخلاف سیستم های سه فاز معمول، مجموع ولتاژهای لحظه ای هر سه فاز صفر نبوده، باعث ایجاد ولتاژ مد مشترک در خروجی درایو می شود. ولتاژ مد مشترک به نوبه خود باعث ایجاد ولتاژ شفت (اختلاف ولتاژ موجود در دو سر ابتدا و انتهایی شفت)، جریان بیرینگ و تداخلات الکترومغناطیسی (EMI) می شود. این ولتاژ دارای فرکانس بالا (برابر با فرکانس سوئیچ زنی درایو)، متناسب با ولتاژ باس DC درایو و شامل پیک های سوزنی شکل است. ظرفیت های خازنی پارازیتی یا سرگردان (Parasitic or Stray Capacitance) موجود در اجزاء موتور و کابل، در حضور ولتاژ مد مشترک شارژ و متناوبا تخلیه شده و تولید جریان نشتی می کنند. این جریان در واقع همان جریان مد مشترک محسوب شده و توسط روش های مختلفی از جمله استفاده از کویل روگوفسکی قابل اندازه گیری است.
یکی از راه های کاهش جریان بیرنگ ایجاد مسیری برگشت برای اینگونه جریان های سرگردان (Stray Current) به سمت منبع ایجاد کننده آن (درایو) می باشد که اینکار می تواند با فراهم کردن مسیر ارتی مناسب (امپدانس پایین) از بدنه موتور به سمت درایو و توسط کابل های شیلد دار مناسب صورت بگیرد. (مسیر نشان داده شده در شکل زیر)
یکی دیگر از راه های از بین بردن جریان بیرینگ استفاده از بیرنگ های عایق مثل بیرینگ های سرامیکی است و از دیگر راه های کم کردن جریان بیرنگ ایجاد مسیرهای موازی برای جریان بیرینگ مانند ارت کردن شفت روتور توسط حلقه های ارت مخصوص به این کار می باشد. در این روش شفت روتور از یک سمت (سمت متصل به بار) توسط حلقه مخصوص زمین شده و از سمت دیگر (سمت انتهایی موتور)، یاتاقان عایق می شود.
