电腐蚀

电动机当然是电动车的心脏。

这玩意说起来是高科技，但主要结构还是简单的，就是轴上穿个转子，两头两个轴承，外面套个定子，转起来后就能做功了。

程自豪小时候玩四驱车自己绕过马达，基本上大同小异。

电动车用的还得在外面在套个壳子负责保护兼冷却。

当然说是这样说，实际上随着科技的进步，小小的电动机也玩出了许多花样，以达到更好的机械工程效果。

电池输出电力，电驱系统控制调节电动机的转速，电动机利用电磁效应的原理转动驱动车轮，而当踩下刹车的时候，电机的转子反转，此刻实现制动并且可以做到电能回收-也就是发电，此刻电动机可以反过来给电池充上那么点儿电。

虽然不多，但积少成多起来，一趟满电的旅程中也能给车子增加个几十公里行程，除非是在极其宽阔的高速公路上……

定子转子当然是各种高技术结晶，毕竟电动车能跑多远，一个是电池容量大小，其次就是电动机的效率。

电机效率越高意味着越省电。

定子转子劳苦功高，线圈责任重大，大多数人眼睛都盯着这个。

但两头两个轴承的重要性丝毫不在上面几个部件之下。

轴承是滚动轴的支承，号称工业之母，任何大型机械结构里都少不了。

二战时，盟军的轰炸机就专门盯着同盟国的轴承厂扔炸弹，因为这样轰炸性价比是最高的，虽然看起来很不讲武德，因为轴承厂大多是民营的，生产的东西也以民营为主。

但在战争里管你飞机坦克大炮，没了轴承就是玩不转。

以上这些都是程自豪当初入职时，贾光头给他洗脑的材料。

他印象深刻。

毕竟轴承厂是他的第一次嘛……

现在面对驭电新能源的轮毂电机工程，苏权派给他们的任务是提高电机轴承的可用性。

转子之所以能不停地转，和定子产生磁切割，靠的就是轴承。

而轴承在电机中工作，就很容易产生两个问题，电腐蚀和蠕变。

电腐蚀顾名思义就是指电流对轴承表面产生破坏，电腐蚀的失效模式又可分为白蚀裂纹（WECs）和凹槽腐蚀（FLUTING）。

白蚀裂纹是指轴承表面出现类似蛛网或者闪电纹样的白色腐蚀痕迹，时间一长自然种裂纹通常会扩散至表面，导致滚道剥落，该现象常见于风力发电机齿轮箱、汽车传动系统、交流发电机与周边辅助设备。

白蚀裂纹是轴承钢的微观结构中的裂纹，它们被白蚀区所点缀。当抛光和浸蚀钢样时发现其微观结构已经发生改变，呈现白色外观。受影响的区域由超细的纳米重结晶无碳化物铁素体或具有非常细微的碳化物颗粒分布的铁素体组成。白蚀区是由裂纹面在重复滚动中因摩擦造成的无定形化而形成的。由于这些区域的腐蚀反应较低，因此在光学显微镜下呈现白色。裂纹周围的白蚀区比附近未受影响的微观结构硬10%到50%。

但这相对少见，更常见危害也更大的是凹槽腐蚀，即轴承工作面上出现无数细小的平直痕迹，仿佛有人用小刀或者锐器不停在轴承表面刻画一般（当然以轴承钢的硬度，大概得用金刚石才能做到划痕明显。）

研究表明0.01A的电流能够降低轴承的使用寿命达20%。如果只从电流数值上来说，很难理解这种低值电流到底是如何显著的损坏轴承？甚至可以达到肉眼可见的凹槽。

对于凹槽的形成，现在大家可以达成一致的是：

第一阶段，电流的产生：凹槽是表面之间显著电压差异引起的失效模式。

第二阶段，腐蚀过程：高温+应力。

在高温的形成上，分歧就存在了。最常见的一种理论认为凹槽是由电火花加工，也就是电弧产生高温。虽然这种理论有一定的说服力，但笔者更倾向下面的这种机理，即轴承趋肤效应导致的失效。

趋肤效应并不陌生，是阻碍扁线电机高速化发展的一大障碍。其原理简单如下：

当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。

对于钢，如果频率为100kHz，则皮肤深度约为30um。如果频率增加到1MHz，皮肤深度减少到大约10um。因此，驱动电机轴承的高频电流主要通过很浅的钢表面。即使轴承电流强度低到mA级，但在非常浅的表面上的热积累是不容忽视的。轴承电流热效应引起的热量积累，加上滚珠摩擦产生的热量，将导致第一轮高温。该温度并不能直接熔化钢表面，但是却能使得润滑油膜产生高温失效。最终，轴承会因为润滑油膜高温失效导致润滑不良继续升温，继而达到熔化钢表面的第二轮高温。从这个角度来说，轴电流导致的凹槽的原罪是集肤效应。

轴承始终处于高速转动中，随着电腐蚀的增加，其强度和寿命会受到影响，如果不及时替换的话就会造成事故。

电腐蚀现象被观察到也有好几十年了，对其产生的原理也比较清楚。

罪魁祸首就是共模电压，因为，在逆变器供电的电机系统中，电机的轴电压和轴承电流的根源在于电机的共模电压。

共模电压(common mode voltage)：在每一导体和所规定的参照点之间（往往是大地或机架）出现的相量电压的平均值。或者说同时加在电压表两测量端和规定公共端之间的那部分输入电压的三分之一，即（Va+Vb+Vc）/3。

这一个电动车常用的三相驱动电机PWM变频控制中：

逆变器通过上下桥臂的开关管组合开通、关断，使逆变器输出侧输出一系列等幅不等宽的脉冲电压来等效为正弦交流电。关于如何将电池的直流电转换成驱动电机的交流电，可关注绿芯之友—直流变交流！轻松看懂逆变器工作原理。

在传统三相交流供电电机系统中，定子绕组接三相对称电源，定子绕组中性点电压为零；而在PWM变频供电电机系统中，任意时刻电机定子绕组中性点电压不为零。

不为零的中性点对地电压，就是我们所说的电机共模电压。也就是说在PWM变频系统中，电机共模电压是一直存在的，共模电压的幅值大小与母线电压成正比，而其频率与变频器的载波频率有关。

当电腐蚀在落到轴承上的话，便是如下过程：

变频器端共模电压脉冲-电机端共模电压-电机绕组中的共磨电压-在轴承两端的共模电压分量（轴承电压）-轴承电压超过油膜的最大耐压时，会产生放电轴承电流（EDM）。

另一条影响轨迹是走定子转子路线，最终形成感应高频轴电压，再通过定子机壳-非驱动端-轴承-转轴-驱动端形成回路，产生的电流就是环路轴承电流，但这条形成途径更加复杂，放到后面再说。

其间也想过各种办法去应对解决。

比如德系轴承商喜欢使用增强绝缘性的油脂来解决问题，把轴承上积累的电荷撒开以达到避免电腐蚀的目的。

这是比较治本的想法，但实现起来并不容易，油脂本身就具有一定的导电性，要在原有的基础上降低导电性也不难，无非是往里面掺点其它东西就行。

这就引入了容性轴电压这个概念，也被称为镜像轴电压。

如果轴承油膜是完好的，那么轴承处会镜像一个共模电压（轴承处于共模串并联电路中一环，等比例分压）。轴承共模电压峰值/电机共模电压峰值定义为轴承分压比BVR。随着平台电压的升高，BVR会不断增大。

镜像电压的前提是轴承油膜是完好的。无论是脂润滑轴承还是油润滑轴承，如果油膜绝缘功能未失效，即使轴电压很高，容性轴电流并不会产生。当油膜失效后，电压才会产生电流，继而导致轴承电腐蚀失效。

另外还有高频感应轴电压

共模电压产生容性轴电压的同时，还会产生高频感应轴电压。共模电压产生共模电流，共模电流产生共模磁通，通过磁通产生感应电动势，即感应轴电压。共模电流的流通路径：通过定子绕组进入电机，流经定子硅钢片叠片，由电机外壳接地流出。电机共模电流也被称为接地电流，共模电流简易公式：i=C*（dv/dt）。

当电机转速较低时，油膜绝缘尚未完全建立，感应轴电压产生环路轴承电流；当电机转速较高时，运行较长时间或者轴承温度较高后，油膜润滑性及绝缘性能下降，感应轴电压也会产生环路轴承电流。这两种情况下环路轴承电流将取代放电轴承电流成为轴承电流的主要成分。研究表明：环路轴承电流被证明只和共模电流有关。

可以看到虽然电腐蚀产生的原因多种多样，但只要油膜完好，那就翻不起多大花来。

提高润滑油膜的绝缘性就是往里掺点更绝缘的材料呗……

但问题是，掺什么，掺多少。

少了导电性不够，多了……会不会变成研磨料，轴承一转这就等于是自抛光？

精密的滚动体肯定承受不起这样的折腾，造成的损害反而会更大。

德国人在一根筋的百折不回头的时候，日本技术人员也没闲着。

毕竟电腐蚀不分国界，没有人种歧视，大家一视同仁。

日本人的思路其实也挺执拗的，但和德国人不同，他们有时候经常会脑洞大开，导致搞出一些明显是点歪了科技树的想法。

在解决轴承电腐蚀问题上，日本工程师从另外一个方面思考问题：既然电腐蚀是必然存在，而且很难解决，那干脆打不过就投降好了……（严格来说，这似乎应该是浪漫的法国工程师的解题思路。）

于是日本人反其道而行之。

既然电腐蚀无法避免，那么我们干脆……增加防线嘛（听起来非常马奇诺……）

简单来说，日本同行给这些有可能被电腐蚀的轴承上了更厚的涂层……

他们的逻辑也简单，以某型常用轴承为例，电腐蚀常见，但其深度通常只有2-3微米（不要小看这个数据，能够拿出这个数据，说明日本人在轴承电腐蚀失效方面是做了大量的实验工作的，就像当日程自豪玩命的用各种方法花式压碎水冷外壳一样），假设此型号轴承的涂层一般为3微米，那么接下来就多涂几层，让厚度达到6微米不就好了？

他们做过计算，当六微米的涂层都被电击穿后，整个轴承的运行寿命也就差不多了，换掉就好。

这个思路，不能说错，但总是里里外外透出诡异来，至少德国人是这么认为的。

因为在他们看来这纯属于治标不治本。

更何况，轴承涂层厚度也是有规定的，不是说越厚越好，轴承这玩意经常处于高温高湿工况下运行，涂层和钢铁的热胀冷缩系数不同，万一涂层扛不住发生剥落怎么办？那可是要出大事的。

日本工程师针对这个指控的反击也很绝。

他们立刻做了个试验，把六毫米涂层的轴承，放到开水里反复煮-捞出，以此来模拟实际使用的工况，最终得出结论，厚涂层没有问题。

德国人目瞪口呆之余，只能恶毒的吐槽“日本的食品是生的（寿司，生鱼片），但轴承却是熟的！”

但日本人靠着这手，兴高采烈的拿到了很多订单，这让德国人气愤不已。

但工业嘛，说到底就是成本与质量的综合考量，谁能在两者之间做到平衡，谁就能获得市场。

再说的极端点，工业品都有严格的使用寿命和条件，只要在寿命期内完全无损，哪怕第二天出事也和生产商没有任何关系。

比如，程自豪的电脑主板、显示器等就经常有“过保黑”的情况，质保期内随便折腾，屁事没有。

只是三年之期一到，就恭迎龙王/修罗/城主归位……

各种稀奇古怪的毛病都出来了，送修是不要钱，但换个元器件的价钱能买半拉新产品……

以至于程自豪怀疑是不是生产商在这些东西里面植入自毁系统，质保期一过就爆……

但实际上，只是典型的成本控制手段而已，通过调低质量体系，降低寿命预期和工况要求，以达到降低生产成本的目的。

是的，这么做很缺德，而且因为整体质量要求降低，难免会发生质保期内就损坏的问题，那也无所谓免费维修甚至更换良品都可以……