Подшипниковые токи в электродвигателях: электрическая эрозия и способы защиты

Электродвигатель отцентрован, подшипники установлены правильно, смазка соответствует режиму работы, температура находится в допустимых пределах — но через несколько месяцев снова появляются шум и вибрация, а новый подшипник приходится менять.

В такой ситуации причина может находиться не в механике и даже не в смазывании.

Через подшипниковый узел электродвигателя способен проходить электрический ток. При электрическом разряде между телом качения и дорожкой локально повреждается поверхность стали. Сначала возникают микроскопические кратеры, затем повреждения накапливаются, а на дорожках могут сформироваться характерные полосы — fluting.

Электрическое воздействие способно одновременно повреждать и смазочный материал. В результате подшипник начинает шуметь и вибрировать, а его ресурс существенно сокращается.

Особенно внимательно подшипниковые токи необходимо учитывать в электродвигателях с частотно-регулируемым приводом.

В этой статье разберём, почему ток проходит через подшипник электродвигателя, как выглядит электрическая эрозия, какое отношение к проблеме имеет частотный преобразователь, как выявить электрические разряды и чем отличаются SKF INSOCOAT от гибридных подшипников с керамическими телами качения.

Что такое подшипниковый ток

В нормальных условиях подшипник должен выполнять механическую задачу: поддерживать вал, воспринимать нагрузку и обеспечивать вращение с минимальным трением.

Но элементы электропривода одновременно могут образовать электрическую цепь:

вал → внутреннее кольцо → тела качения → наружное кольцо → корпус → земля.

Если между валом и корпусом возникает электрический потенциал и условия позволяют току пройти через подшипник, разряд может произойти непосредственно в зоне контакта тела качения с дорожкой.

Такие явления называют:

• подшипниковыми токами;
• токами через подшипник;
• паразитными токами;
• токами утечки;
• электрическими разрядами через подшипник.

А возникающее повреждение рабочих поверхностей называется электрической эрозией подшипника.

Почему ток повреждает подшипник

Между телом качения и дорожкой находится очень тонкая смазочная плёнка.

В определённых условиях эта плёнка электрически разделяет поверхности. Но если напряжённость электрического поля становится достаточно высокой, происходит пробой.

Возникает кратковременный электрический разряд.

В чрезвычайно малой зоне контакта выделяется высокая локальная энергия. Поверхность стали локально нагревается и повреждается.

После одного события повреждение может быть практически незаметно. Но электродвигатель вращается тысячи оборотов в минуту, и разряды могут повторяться многократно.

В результате множество микроскопических повреждений постепенно превращается в серьёзный дефект дорожек и тел качения.

Как выглядит электрическая эрозия подшипника

SKF выделяет несколько характерных проявлений электрического повреждения.

На ранней стадии могут появляться:

• микрократеры;
• матовая поверхность дорожки;
• сероватое изменение поверхности;
• локальные следы электрических разрядов.

Микрократеры настолько малы, что обычного визуального осмотра иногда недостаточно.

При дальнейшем развитии повреждения может сформироваться значительно более характерная картина — fluting.

Что такое fluting подшипника

Fluting — это волнообразные или поперечные полосы на дорожке качения, которые часто сравнивают со стиральной доской.

В технической литературе также встречается термин:

washboard pattern.

Поверхность дорожки вместо равномерной становится покрыта повторяющимися бороздами.

Это уже вторичное повреждение, возникающее после продолжительного воздействия электрических токов и механического прохождения тел качения через повреждённые участки.

По мере развития fluting увеличиваются:

• шум;
• вибрация;
• шероховатость дорожек;
• нагрузка на смазочный материал.

В конечном итоге подшипник может выйти из строя значительно раньше расчётного срока.

Fluting всегда означает электрическое повреждение?

Не абсолютно.

SKF отмечает, что характерный fluting чаще всего связан именно с прохождением повреждающего электрического тока, однако в редких случаях похожий рисунок может быть связан с другими механизмами, например с определёнными вибрационными воздействиями.

Поэтому окончательный диагноз лучше ставить не только по фотографии дорожки, а по совокупности признаков:

• характер повреждения;
• тип оборудования;
• наличие частотного преобразователя;
• состояние заземления;
• электрические измерения;
• вибрация;
• состояние смазки.

Почему электрическая эрозия появляется в электродвигателях

Причин возникновения потенциала на валу несколько.

В зависимости от конструкции электродвигателя и привода могут участвовать:

• асимметрия магнитного поля;
• циркулирующие токи;
• электростатический заряд;
• проблемы с заземлением;
• высокочастотные составляющие от частотного преобразователя;
• неправильная прокладка или экранирование кабелей;
• особенности двигателя и приводимого оборудования.

Поэтому подшипниковый ток необходимо рассматривать не как изолированную неисправность одного подшипника, а как электрическое явление всего приводного комплекса.

Почему частотный преобразователь увеличивает риск

Современные частотно-регулируемые приводы позволяют эффективно управлять скоростью электродвигателя, снижать энергопотребление и оптимизировать технологический процесс.

Но работа частотного преобразователя принципиально отличается от питания двигателя обычным синусоидальным напряжением сети.

Для формирования требуемого выходного сигнала широко используется широтно-импульсная модуляция — PWM/ШИМ.

Быстрые фронты импульсов создают высокочастотные электрические составляющие и паразитные ёмкостные связи внутри системы.

В результате на валу двигателя может возникать напряжение относительно корпуса.

Если оно разряжается через подшипник, начинается электрическая эрозия.

Почему проблема может появиться после установки частотника

Типичный промышленный сценарий:

1. Двигатель годами работает от сети.
2. Предприятие модернизирует привод.
3. Устанавливается частотный преобразователь.
4. Через некоторое время ресурс подшипников уменьшается.
5. Начинаются повторные замены.

Первая реакция часто связана с механикой:

• проверяют смазку;
• увеличивают C3;
• меняют производителя подшипника;
• проверяют центровку;
• повторно меняют подшипник.

Эти проверки полезны, но если реальной причиной является электрический ток, новая стандартная стальная деталь может снова получить аналогичное повреждение.

Какие виды подшипниковых токов встречаются

Для практической диагностики полезно понимать, что под термином «подшипниковый ток» скрываются разные электрические механизмы.

Циркулирующие токи

Электрический потенциал может создавать замкнутый путь через вал, подшипники и корпус двигателя.

Тогда один подшипник может стать частью цепи прохождения тока.

Высокочастотные токи

Они особенно актуальны для приводов с частотными преобразователями.

Высокая скорость изменения напряжения и паразитные ёмкости двигателя создают условия для высокочастотных токов и электрических разрядов.

Токи через систему заземления вала

Если электрическая система привода и её заземление организованы неправильно, ток может искать путь через подшипники и механические элементы.

Электростатические разряды

В некоторых машинах электрический заряд способен формироваться непосредственно технологическим процессом или вращающимися элементами.

Это ещё одна причина, почему одинаковая внешняя картина повреждения не всегда означает одинаковый источник электрического тока.

Что происходит со смазкой при прохождении электрического тока

Электрическое повреждение касается не только металлических поверхностей.

SKF указывает, что локальный нагрев при электрическом разряде способен ускорять разрушение смазочного материала и его присадок.

При пластичном смазывании смазка может:

• потемнеть;
• стать чёрной;
• затвердеть;
• быстрее деградировать.

В результате появляется опасный замкнутый цикл:

электрические разряды → повреждение дорожек и смазки → ухудшение условий смазывания → ускоренный износ → рост шума и вибрации.

Чёрная смазка означает подшипниковые токи?

Нет.

Почернение смазки может иметь множество причин:

• высокая температура;
• окисление;
• металлические продукты износа;
• загрязнение;
• особенности исходного продукта;
• электрическое повреждение.

Поэтому цвет смазки является только дополнительным диагностическим признаком.

Если двигатель работает от частотного преобразователя, а одновременно присутствуют характерные повреждения дорожек, рост вибрации и потемнение смазки, электрическая причина становится значительно более вероятной.

Как меняется шум подшипника при электрическом повреждении

На ранней стадии оператор может не заметить никаких изменений.

По мере появления микрократеров и fluting поверхность дорожек становится менее однородной.

Подшипник может начать:

• гудеть;
• создавать характерный высокочастотный шум;
• работать более жёстко;
• передавать дополнительную вибрацию на корпус двигателя.

Однако звук сам по себе не позволяет диагностировать электрическую эрозию.

Подробнее о других источниках шума: почему шумит подшипник — причины гула, стука и вибрации.

Как меняется вибрация

Когда поверхности дорожек повреждаются, движение тел качения перестаёт быть равномерным.

Каждое прохождение через повреждённые зоны создаёт дополнительное динамическое воздействие.

По мере развития повреждения:

• общий уровень вибрации может увеличиваться;
• могут появляться характерные высокочастотные составляющие;
• состояние может быстро ухудшаться после формирования выраженного fluting.

Вибродиагностика способна обнаружить развитие дефекта, но источник необходимо подтверждать дополнительными данными.

Как отличить электрическую эрозию от загрязнения

Оба механизма способны создавать микроповреждения дорожек, шум и вибрацию.

Отдельно о твёрдых частицах и воде: загрязнение смазки в подшипниках.

Как отличить электрическое повреждение от проблем со смазкой

Недостаточное смазывание тоже способно вызывать:

• шум;
• вибрацию;
• перегрев;
• повреждение дорожек.

Поэтому нельзя делать вывод:

«двигатель с частотником + повреждённый подшипник = обязательно подшипниковый ток».

Нужно последовательно проверить:

1. правильность подбора смазки;
2. количество;
3. интервал повторного смазывания;
4. загрязнение;
5. посадку;
6. центровку;
7. нагрузку;
8. характер повреждений дорожек;
9. электрические разряды.

Почему обычная замена подшипника не решает проблему

Если стандартный стальной подшипник разрушился из-за прохождения электрического тока, установка такого же нового подшипника устраняет следствие, но не источник.

Электрическая система остаётся прежней.

После запуска ток снова может проходить через новый подшипник.

Поэтому повторяющийся отказ одинаковых подшипников электродвигателя — особенно после установки или модернизации частотного привода — должен стать поводом проверить электрическую составляющую.

Как проверить наличие электрических разрядов

Диагностика может включать несколько методов.

• осмотр демонтированного подшипника;
• увеличение поверхности для поиска микрократеров;
• вибродиагностику;
• измерение электрических параметров вала;
• контроль электрических разрядов во время работы.

SKF TKED 1 — детектор электрического разряда

Для полевой проверки SKF разработан SKF TKED 1.

Это портативный бесконтактный прибор, предназначенный для обнаружения электрических разрядов в подшипниках работающих электродвигателей.

Практическая ценность такого измерения заключается в том, что проблему можно искать до разборки двигателя и полного разрушения подшипника.

TKED 1 особенно полезен, когда:

• двигатель работает с частотным преобразователем;
• подшипники повторно выходят из строя;
• причина повышенной вибрации не очевидна;
• есть подозрение на электрические разряды;
• необходимо сравнить несколько двигателей.

Что проверить кроме самого подшипника

SKF подчёркивает, что проблема подшипниковых токов требует анализа привода как системы.

Следует проверить:

• заземление двигателя;
• заземление приводимого оборудования;
• кабель между преобразователем и двигателем;
• экранирование;
• электрические соединения;
• параметры частотного преобразователя;
• длину кабелей;
• конструкцию двигателя;
• наличие устройств заземления вала;
• исполнение подшипников.

Поэтому замена подшипника должна быть частью инженерного решения, а не единственным действием.

Заземление вала

Один из способов управления электрическим потенциалом — создать контролируемый низкоомный путь от вала к земле, чтобы ток не проходил через тела качения.

Для этого применяются системы заземления вала.

Но эффективность решения зависит от конкретного вида подшипникового тока и конструкции привода.

Поэтому нельзя считать универсальным правило:

«поставил щётку заземления — проблема решена».

В некоторых системах требуется сочетание нескольких мер.

Правильное заземление электродвигателя

Перед переходом на специальные подшипники необходимо проверить базовые электрические условия.

Некачественные соединения, неправильная схема заземления и ошибки монтажа кабелей могут создавать или усиливать нежелательные пути прохождения тока.

SKF в рекомендациях по анализу электрического повреждения прямо указывает проверку правильности заземления оборудования как одно из первых действий.

Что такое SKF INSOCOAT

SKF INSOCOAT — это электроизолированные подшипники, в которых поверхность одного из колец покрывается электроизоляционным слоем.

В качестве изоляционного материала используется оксид алюминия, наносимый специальным плазменным процессом.

Таким образом один компонент выполняет две задачи:

1. работает как обычный подшипник качения;
2. разрывает нежелательный электрический путь.

Это позволяет использовать готовое подшипниковое решение вместо отдельного электрического изолирования корпуса или вала в соответствующих применениях.

Что означает VL0241

В обозначениях SKF INSOCOAT встречаются специальные суффиксы.

Электрические характеристики INSOCOAT

Для стандартных современных исполнений VL0241 и VL2071 SKF указывает:

• испытательное напряжение до 3 000 V DC;
• минимальное электрическое сопротивление 200 МОм при установленных SKF условиях измерения.

Для улучшенных исполнений VL0246 и VL2076 минимальное сопротивление повышено до 400 МОм, при том же указанном уровне испытательного напряжения 3 000 V DC.

При выборе необходимо учитывать не только эти цифры, но и тип электрического воздействия, частоту, влажность, конструкцию двигателя и рекомендации производителя.

Какие подшипники выпускаются в исполнении INSOCOAT

Технология применяется прежде всего там, где электрическая изоляция наиболее востребована в электрических машинах.

Типичные исполнения включают:

• радиальные шарикоподшипники;
• цилиндрические роликоподшипники.

Габаритные размеры подбираются под конкретный стандартный подшипник и конструкцию двигателя.

Оригинальные решения SKF можно подобрать через каталог подшипников SKF.

Что такое гибридный подшипник

Гибридный подшипник конструктивно отличается от INSOCOAT.

В нём:

• кольца выполнены из подшипниковой стали;
• тела качения выполнены из керамического материала — нитрида кремния Si₃N₄.

Керамические тела качения являются электрическими изоляторами.

Поэтому электрический путь между внутренним и наружным кольцом через зону качения разрывается.

Почему керамические тела качения защищают от тока

Обычный полностью стальной подшипник способен участвовать в электрической цепи через:

внутреннее кольцо → тело качения → наружное кольцо.

В гибридном подшипнике между стальными кольцами находятся электрически непроводящие керамические тела качения.

Особенно важным преимуществом является очень низкая электрическая ёмкость такого подшипника, благодаря чему гибридная конструкция эффективна и при высокочастотном воздействии.

INSOCOAT или гибридный подшипник — что выбрать

Универсального ответа нет.

Выбор необходимо делать по:

• мощности двигателя;
• частоте электрического воздействия;
• типу преобразователя;
• схеме заземления;
• скорости;
• нагрузке;
• типоразмеру подшипника;
• экономике решения.

Можно ли поставить изолированный подшипник только с одной стороны двигателя

В некоторых схемах разрыв электрической цепи одним изолированным подшипником действительно является частью решения.

Но это нельзя превращать в универсальное правило.

Необходимо сначала определить:

• какой именно ток возникает;
• откуда он приходит;
• через какие элементы проходит;
• какое электрическое решение применено на приводной и неприводной сторонах.

Для высокочастотных токов привод с частотным преобразователем должен рассматриваться как единая система.

Можно ли установить INSOCOAT вместо обычного подшипника

Во многих случаях INSOCOAT сохраняет стандартные присоединительные размеры соответствующего подшипника, что упрощает замену.

Но перед заказом необходимо проверить полное обозначение:

• тип подшипника;
• размеры;
• внутренний зазор;
• сепаратор;
• изоляционное исполнение;
• нагрузку;
• скорость.

Нельзя выбирать INSOCOAT только по внутреннему и наружному диаметру.

Общие принципы подбора двигателя рассмотрены в статье как выбрать подшипник SKF для электродвигателя.

Нужен ли C3 для электроизолированного подшипника

Электрическая изоляция и внутренний зазор решают разные задачи.

INSOCOAT защищает от прохождения электрического тока.

C3 указывает на увеличенный внутренний зазор относительно Normal.

Поэтому наличие электрической изоляции не отменяет необходимость правильно подобрать внутренний зазор по:

• посадкам;
• рабочей температуре;
• скорости;
• конструкции электродвигателя.

Подробнее: что означает зазор C3 в подшипниках SKF.

Можно ли решить проблему заменой смазки

Если причиной является прохождение электрического тока, более качественная или высокотемпературная смазка не устраняет электрический путь.

Да, свойства смазочного материала влияют на работу подшипника и электрическое поведение контакта.

Но стратегия:

«поставим другую смазку и электрические разряды исчезнут»

не является надёжным инженерным решением.

Нужно устранять именно электрическую причину.

Можно ли решить проблему только заменой частотного преобразователя

Не обязательно.

На электрическое поведение системы одновременно влияют:

• преобразователь;
• настройки;
• двигатель;
• кабель;
• экранирование;
• заземление;
• приводимое оборудование;
• тип подшипника.

Поэтому до дорогостоящей модернизации лучше определить реальный путь тока.

Типичные ошибки при повторных отказах подшипников электродвигателя

Диагностический алгоритм при подозрении на подшипниковые токи

1. Зафиксировать историю отказов. Как часто менялись подшипники и когда началась проблема?
2. Проверить связь с модернизацией. Устанавливался ли частотный преобразователь?
3. Проверить механику. Посадки, центровку, нагрузку и внутренний зазор.
4. Проверить смазывание. Тип, количество и состояние смазки.
5. Осмотреть демонтированный подшипник. Искать микрократеры, матовую поверхность и fluting.
6. Проверить вибрацию и шум.
7. Проверить электрические разряды.
8. Проверить заземление и кабельную систему.
9. Определить предполагаемый путь электрического тока.
10. Выбрать инженерное решение. Заземление, INSOCOAT, гибридный подшипник или комбинация мер.

Таблица: признак → возможная причина → что проверить

Как предотвратить повторный отказ

Правильная стратегия обычно состоит не из одной операции, а из нескольких уровней защиты.

1. Устранить ошибки электрического монтажа

Проверить заземление, экранирование и соединения.

2. Определить источник и путь тока

Нельзя эффективно разорвать цепь, не понимая, как она замыкается.

3. Рассмотреть заземление вала

Создать альтернативный контролируемый электрический путь, если это соответствует конструкции системы.

4. Применить электроизолированный подшипник

SKF INSOCOAT позволяет разорвать электрический путь за счёт изоляционного покрытия кольца.

5. Рассмотреть гибридный подшипник

Керамические тела качения обеспечивают электрическую изоляцию между стальными кольцами и особенно эффективны против высокочастотного электрического воздействия.

6. Продолжить мониторинг после модернизации

После изменения конструкции необходимо проверить, действительно ли электрические разряды прекратились и стабилизировались ли вибрация и ресурс подшипников.

Почему подшипниковые токи — это не только проблема подшипника

Самая важная мысль этой статьи:

подшипник является местом, где электрическая проблема проявляется, но не обязательно местом, где она возникает.

Источник может находиться:

• в преобразователе;
• в двигателе;
• в кабельной системе;
• в заземлении;
• в приводимом механизме;
• в комбинации этих факторов.

Поэтому анализ повторных отказов должен охватывать весь привод.

Главное о подшипниковых токах

Электрический ток, проходящий через подшипник электродвигателя, способен создавать микроскопические разряды непосредственно между телами качения и дорожками.

Со временем повреждения накапливаются:

микрократеры → повреждение поверхности → fluting → рост шума и вибрации → преждевременный отказ.

Одновременно может ускоряться деградация смазочного материала.

Особенно внимательно проблему необходимо учитывать в системах с частотно-регулируемым приводом.

Если стандартные подшипники одного двигателя регулярно выходят из строя, недостаточно просто установить очередной новый подшипник. Необходимо определить первопричину и проверить электрический путь.

Для диагностики может использоваться детектор электрических разрядов SKF TKED 1, а для защиты — правильное заземление, SKF INSOCOAT, гибридные подшипники с керамическими телами качения или комбинация этих решений.

Industrial Motion Solutions поставляет оригинальные подшипники SKF и инструменты SKF для мониторинга состояния оборудования в Казахстане.

Если подшипники электродвигателя регулярно выходят из строя или необходимо подобрать электроизолированное исполнение под конкретный двигатель, свяжитесь со специалистами IMS.

FAQ — подшипниковые токи и электрическая эрозия

Что такое подшипниковый ток?

Это электрический ток, проходящий через элементы подшипникового узла. Если ток проходит через контакт тел качения с дорожками, электрические разряды могут повреждать металлические поверхности и смазочный материал.

Как выглядит электрическая эрозия подшипника?

На поверхности могут появляться микрократеры, матовые участки и мелкие повреждения. При длительном воздействии может сформироваться характерный волнообразный рисунок дорожек — fluting.

Что такое fluting?

Fluting — это повторяющиеся поперечные борозды на дорожке качения, напоминающие стиральную доску. Такое вторичное повреждение часто связано с продолжительным прохождением электрического тока через подшипник.

Почему частотник повреждает подшипники?

Не сам факт регулирования скорости, а высокочастотные электрические процессы, возникающие при работе PWM-преобразователя, способны создавать напряжение на валу и токи через подшипники. Риск зависит от всей конструкции привода.

Любой электродвигатель с частотником получит электрическое повреждение?

Нет. Возникновение повреждающего тока зависит от двигателя, преобразователя, кабелей, заземления, мощности, конструкции системы и применённых защитных решений.

Может ли электрическая эрозия испортить смазку?

Да. SKF указывает, что локальные высокие температуры при электрических разрядах способны ускорять деградацию смазки и её присадок. При пластичном смазывании продукт может темнеть и затвердевать.

Если смазка стала чёрной, значит через подшипник проходит ток?

Не обязательно. Аналогичное изменение возможно из-за высокой температуры, загрязнения, окисления или продуктов механического износа. Нужны дополнительные признаки и диагностика.

Что такое SKF INSOCOAT?

Это электроизолированные подшипники SKF с покрытием из оксида алюминия на наружном либо внутреннем кольце. Покрытие разрывает электрический путь через подшипниковый узел.

Что означает SKF VL0241?

VL0241 обозначает стандартное INSOCOAT-исполнение с электроизоляционным покрытием наружного кольца.

Что означает SKF VL2071?

VL2071 обозначает стандартное INSOCOAT-исполнение с электроизоляционным покрытием внутреннего кольца.

Чем гибридный подшипник отличается от INSOCOAT?

В INSOCOAT электрическую изоляцию создаёт покрытие кольца. В гибридном подшипнике используются стальные кольца и непроводящие керамические тела качения из нитрида кремния.

Что лучше — INSOCOAT или гибридный подшипник?

Зависит от вида электрического воздействия, двигателя, частотного привода, скорости, нагрузки и требований к ресурсу. Гибридные подшипники особенно эффективны для электрической изоляции при высокочастотных токах, но решение должно подбираться под конкретный привод.

Можно ли решить проблему установкой одного электроизолированного подшипника?

В некоторых схемах этого достаточно для разрыва определённого пути циркулирующего тока, но универсального правила нет. Сначала необходимо понять электрическую схему всего привода.

Можно ли просто установить новый обычный подшипник?

Если причиной предыдущего отказа был электрический ток, новый стандартный подшипник может получить такое же повреждение. Необходимо устранить первопричину.

Как проверить электрические разряды без разборки двигателя?

Для полевой проверки работающего оборудования применяется специализированный детектор, например SKF TKED 1, предназначенный для бесконтактного выявления электрических разрядов в подшипниках электродвигателей.

Что проверить, если подшипники двигателя стали быстро выходить из строя после установки частотника?

Проверьте характер повреждений подшипника, электрические разряды, заземление, экранирование и прокладку кабелей, параметры привода, конструкцию двигателя и возможную необходимость применения INSOCOAT, гибридных подшипников или системы заземления вала.