用于电动马达的轴承组件以及电动马达的制作方法

1.本发明涉及一种用于电动马达的轴承组件(bearing assembly)。本发明还涉及一种电动马达。


背景技术：

2.在附图1中示出现有技术。通常，电动马达10包括：壳体12；转子，具有转子轴14和转子绕组15；定子，具有定子绕组16；一个或多个轴承18、19，将转子轴14联接到壳体12；以及各种电连接(未示出)。通常将变频驱动器(vfd)用于电动马达控制。通常，vfd包括以相当快速的方式切换并且包括陡峭的切换侧面的绝缘栅双极晶体管(igbt)和/或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。然而，在vfd中使用的igbt的快速切换可能导致高频接地电流以及高频循环电流，这些高频循环电流在转子中产生并且由共模电压分别通过从定子到转子以及从定子芯(stator-core)到定子铁芯(stator-iron)的耦合电容来驱动，这可能对转子轴承的故障具有显著影响。
3.最初，在轴承接触部(/触点)(contact)内部形成的流体动力薄膜抵抗电流的流动，从而引起轴承18、19上(/两端)(across)的电势差。因此，具有由润滑油膜完全分离的接触部的轴承18、19有效地表现为抵抗电流流向地4的附加电容器。在达到一定的电压极限之后，流体动力薄膜塌陷，从而导致轴承18、轴承19内部的放电事件2。放电事件的次数和每次放电后的能量决定了轴承损坏的程度。在这种情况下，轴承的主要损坏是轴承中的滚动表面(内滚道、外滚道和滚动元件的外表面)的电侵蚀。于是，轴承不适合准确且精确地支撑转子轴的旋转：振动、噪声、温度升高以及随后的裂纹可能导致轴承以及随后的电动马达的故障。
4.因此，本发明的目的是提供一种用于具有转子支撑轴承的电动马达的轴承组件，该轴承组件具有增加的抵抗电流放电损坏的耐久性和增加的寿命。


技术实现要素：

5.该目的通过根据方案1的用于电动马达的轴承组件来解决。在下文中，提供了一种用于电动马达的轴承组件、特别地用于车辆的电动马达的轴承组件。轴承组件包括至少一个主轴承，至少一个主轴承被构造为支撑电动马达的旋转元件。所述主轴承包括：至少一个内圈，设置至少一个内滚道；至少一个外圈，设置至少一个外滚道，所述内圈与所述外圈相对旋转；以及至少一组滚动元件，布置在主轴承的内圈和外圈之间。轴承圈中的一个轴承圈与电动马达的旋转元件旋转地联接。
6.根据本发明，用于电动马达的轴承组件还设置有所谓的牺牲轴承(sacrificial bearing)。牺牲轴承包括：外圈，具有外滚道；内圈，具有内滚道，所述内圈与所述外圈相对旋转；以及多个滚动元件，布置在外圈与内圈之间。牺牲轴承圈中的一个圈与电动马达的旋转元件旋转地联接，另一个圈接地。为了保护主轴承免受放电事件的影响，提出(i)牺牲轴承的导电率高于20μs，以及(ii)牺牲轴承的击穿电压(breakdown voltage)的值严格小于
至少一个主轴承的击穿电压的值。特别地，通过降低牺牲轴承的击穿电压，经由牺牲轴承产生低电阻路径，以确保电流(诸如，高频接地电流和/或差模循环电流)通过牺牲轴承接地。
7.因此，主轴承适于/设计为电动马达的旋转部分的旋转主支撑，并且然后应当被保护免受由于在轴承中累积的电流或电压而可能发生的任何损坏。相反，还支撑旋转部分的牺牲轴承由于放电事件而被允许损坏。然后在任何时间确保旋转元件的旋转支撑，而没有旋转支撑功能的牺牲轴承允许电流流过它。
8.根据本发明的有利的但非强制性的其他方面，这种用于电动马达的轴承组件可以包括以下特征中的一个或多个：
[0009]-主轴承设置有润滑剂，优选地脂(/润滑脂)，润滑剂被构造为对相应轴承的滚动元件进行润滑。
[0010]-牺牲轴承设置有润滑剂，优选地脂，润滑剂被构造为对相应轴承的滚动元件进行润滑。
[0011]-牺牲轴承的润滑剂是导电的导电润滑剂。优选地，牺牲轴承的导电润滑剂还被构造为减少电势的累积。
[0012]-用于牺牲轴承的导电润滑剂包括添加剂，添加剂被构造为将其自身结合在至少一个内滚道和/或至少一个外滚道和/或滚动元件的表面上，并且降低表面电势和/或表面隔离。这也可能导致牺牲轴承的较低的介电强度，从而降低用于牺牲轴承的击穿电压。
[0013]-用于牺牲轴承的导电润滑剂可以是流体，优选地是非极性基流体、极性基流体(polar base fluid)或离子流体。
[0014]-导电润滑剂可以包含强酸(优选地接近或完全离子化的强酸)或可溶性弱酸、或者一种或多种可溶性碱(soluble bases)(优选地碱金属的氢氧化物)。
[0015]-流体可以包括高离子迁移率(mobility)，并且氢氧化物可以具有高溶解度(solubility)。
[0016]-用于牺牲轴承的导电润滑剂包括一种或多种不同有机酸(organic acids)或羧酸(carboxylic acids)的一种或多种金属盐、一种或多种铵盐(ammonium salts)和/或酰胺羧酸(amide carboxylic acids)，其中优选地，酸是支链或非支链的以及/或者饱和或不饱和的，以及/或者盐具有高溶解度。
[0017]-用于牺牲轴承的导电润滑剂包括氧化物(特别地半导体氧化物)、和/或结晶度低的金属颗粒(优选地银、铜和/或铋)、和/或炭黑、和/或金属氟化物化合物。
[0018]-导电润滑剂可以包括：热化学稳定的产物，其具有响应于表面(特别地轴承钢表面)的钝化能力(passivating capability)(优选地具有高表面粘附特性(surface sticking characteristics)的表面(特别地轴承钢表面)的钝化能力)；以及/或者具有水解作用(hydrolyzing effects)的酯；和/或离子液体(优选地三氟甲磺酸酯(trifluoromethane sulfonate)、三氟甲磺酸酯(triflate)和/或三氟甲磺酸甲酯(methyl triflate))；和/或有机金属铋化合物、和/或有机金属铜化合物。
[0019]-用于牺牲轴承的导电润滑剂是油或半流体脂组合物或脂或水基润滑剂。
[0020]-牺牲轴承的导电润滑剂可以包括至少一种添加剂，添加剂被配置为减少润滑油离解(dissociation)和/或防止润滑剂聚合成高粘度物质。
[0021]-导电润滑剂包含：流体，优选地油或半流体脂组合物，其包含一种或多种不同有
机酸和/或羧酸的一种或多种金属盐，其中流体包含高离子迁移率(ion mobility)，优选地非极性流体、极性流体或离子流体，其中盐具有高溶解度，并且酸是支链或非支链的、饱和或不饱和的；和/或流体，优选地油或半流体脂组合物，其包含优选地接近或完全电离的强酸；和/或可溶性弱酸；和/或流体，优选地油或半流体脂组合物，其包含一种或多种可溶性碱，优选地碱金属的氢氧化物，其中流体具有高离子迁移率，并且氢氧化物具有高溶解度；和/或热化学稳定的产品，响应于(轴承钢)表面的钝化能力(优选地具有高表面粘附特性的(轴承钢)表面的钝化能力)；和/或易于水解作用的酯；和/或离子液体，优选地三氟甲磺酸酯、三氟甲磺酸酯、三氟甲磺酸甲酯；和/或一种或多种不同有机酸和/或羧酸的一种或多种金属盐，其中所述酸是支链或非支链的、饱和或不饱和的；和/或有机金属铋化合物和/或有机金属铜化合物；和/或铵盐或酰胺羧酸(ammonium salts or amide carboxylic acids)，其衍生自一种或多种不同的有机酸和/或羧酸，或者衍生自二酐胺化合物(dianhydride amine compounds)；和/或氧化物(半导电性)；和/或结晶度低的金属颗粒，优选地银、铜、铋；和/或炭黑；和/或环烷酸(naphthenic acid)的金属盐；和/或金属氟化物化合物；和/或水基润滑剂，如酰胺基化合物(amide based compounds)、胺基化合物(amine based compounds)、丙三醇(glycerol)和乙二醇(glycol)、非反相胶束技术(non-inverted micelle technologies)；和/或金属稠化油、金属皂化脂、粘土稠化脂、丙三醇或乙二醇稠化脂、氧化硅稠化脂、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)稠化脂、脂族(aliphatic)、脂环族(alicyclic)、芳族二脲(aromatic di-)、芳族四脲(terta-)和/或聚脲(polyurea)及其混合物和/或糊剂(pastes)。
[0022]-牺牲轴承的导电润滑剂被设计为使得牺牲轴承的击穿电压的值小，例如有利地低于10v。这具有以下优点：保护主轴承免受由流过主轴承的电流引起的损坏，同时还为电流提供通过牺牲轴承的路径。
[0023]-击穿电压的值与赫兹接触压力的值相关，并且其中牺牲轴承的赫兹接触压力的值是小的，例如小于500mpa。较大的赫兹接触压力可能导致相应轴承的较大电容，而较小的赫兹接触压力可能导致相应轴承的较小电容。牺牲轴承中的击穿电压可以通过较小的赫兹接触压力而降低，这导致电流流过牺牲轴承，使得主轴承被进一步保护。特别地，可以通过增加滚动元件的半径与圈交叉半径(ring cross radius)之间的比例和/或通过提供开放式密切度(open osculation)来减小赫兹接触压力。优选地，牺牲轴承的赫兹接触压力的值小于主轴承的赫兹接触压力的值。
[0024]-轴承的击穿电压的值与轴承的组件(/组成部件)(component)的表面粗糙度有关，并且其中牺牲轴承的组件(/组成部件)(component)的表面粗糙度是大的，例如ra大于50nm。优选地，牺牲轴承的组件(/组成部件)(component)的表面粗糙度大于主轴承的组件(/组成部件)(component)的表面粗糙度。通过增加牺牲轴承中的表面粗糙度，牺牲轴承的击穿电压降低，使得电流可以通过牺牲轴承接地。
[0025]-牺牲轴承和/或主轴承设置有保持架，保持架被构造为保持相应轴承的滚动元件，其中保持架还包括用于润滑剂和/或至少一种润滑剂添加剂的存储容量。这允许可以供应新鲜的润滑剂和/或润滑剂添加剂，使得可以延长轴承的寿命。
[0026]-牺牲轴承的滚动元件中的至少一个滚动元件由铜制成。
[0027]-击穿电压与滚动元件表面速度相关，并且牺牲轴承的滚动元件表面速度可以小
于主轴承的滚动元件表面速度。这可以通过使用相对小的轴承(例如，具有6mm和12mm之间(例如约8mm)的孔径以及18mm和26mm之间(例如约22mm)的外径的轴承)作为牺牲轴承来实现。
[0028]-主轴承是具有成组的陶瓷滚动元件和/或至少一个陶瓷轴承圈的混合轴承。此外，牺牲轴承是具有成组的钢滚动元件和钢轴承圈的钢轴承。
[0029]
本发明还涉及一种电动马达。电动马达包括：壳体；定子，具有定子绕组；转子，具有转子轴和转子绕组；以及根据前述实施方式中任一项所述的至少一个轴承组件，其中轴承组件的主轴承被构造为支撑电动马达的转子，并且牺牲轴承被构造为具有旋转地固定到所述转子的至少一个圈。
[0030]
在从属权利要求以及说明书和附图中限定了另外的优选实施方式。因此，在不脱离保护范围的情况下，与其他元件组合描述或示出的元件可以单独存在或与其他元件组合存在。
附图说明
[0031]
在下文中，关于附图描述了本发明的优选实施方式，其中附图仅是示例性的，并且不旨在限制保护范围。保护范围仅由所附权利要求限定。
[0032]
附图示出了：
[0033]
图1：根据现有技术的电动马达的示意图；
[0034]
图2：根据本发明的实施方式的包括牺牲轴承(sacrificial bearing)的电动马达的示意图；以及
[0035]
图3：图2的牺牲轴承的示意图。
具体实施方式
[0036]
在下文中，相同或相似的功能元件用相同的附图标记表示。
[0037]
图2示出了用于电动马达20(特别地用于车辆的电动马达20)的轴承组件的示意图。电动马达20包括：壳体22；转子，具有转子轴24和转子绕组25；定子，具有定子绕组26；两个主轴承28、30，将转子轴24联接到壳体22；以及各种电连接(未示出)。
[0038]
图2中所示的两个主轴承28、30是类似的。作为另一种选择，主轴承28、主轴承30可以具有不同的类型和尺寸。主轴承28、主轴承30各自包括具有至少一个内滚道的内圈28a、30a、具有至少一个外滚道的外圈28b、30b以及分别布置在内圈28a与外圈28b之间和内圈30a与30b之间的成组的滚动元件28c、30c(这里是球)。有利地，主轴承28、主轴承30均设置有润滑剂，优选地为脂，润滑剂被构造为对相应轴承的滚动元件进行润滑。根据另一个实施方式，主轴承28、主轴承30均可以设置有保持架，保持架被构造为保持相应轴承28、30的滚动元件28c、30c。所述保持架还可以包括用于润滑剂和/或至少一种润滑剂添加剂的存储容量。这允许可以供应新鲜的润滑剂和/或润滑剂添加剂，使得可以延长轴承的寿命。
[0039]
主轴承28的内圈28a与旋转轴24的外周表面旋转地联接，并且外圈28b固定在壳体22中。主轴承30的内圈30a与旋转轴24的外周表面旋转地联接，并且外圈30b固定在壳体22中。主轴承28、主轴承30相对于壳体22旋转地支撑电动马达20的旋转轴14。有利地，主轴承28、主轴承30中的每一个安装在转子绕组25和定子绕组26的一侧。
[0040]
如图1所示，作为现有技术，可以在转子轴14、转子轴24中产生高频接地电流。然后，这些电流可以通过主轴承中的一个主轴承并损坏主轴承的组件(/组成部件)(components)。更特别地，滚道和/或球的表面可能具有故障。根据图2所示的本发明，电动马达20还设置有牺牲轴承(sacrificial bearing)32。
[0041]
牺牲轴承32在图3中被示出，并且包括具有内滚道的内圈32a、具有外滚道的外圈32b以及布置在内圈32a与外圈32b之间的至少一组滚动元件32c(这里是球)。有利地，牺牲轴承32设置有润滑剂，优选地为脂，润滑剂被构造为对滚动元件32c进行润滑。根据另一个实施方式，牺牲轴承32设置有保持架32s，保持架32s被构造为保持滚动元件32c。所述保持架还可以包括用于润滑剂和/或至少一种润滑剂添加剂的存储容量。这允许可以供应新鲜的润滑剂和/或润滑剂添加剂，使得可以延长轴承的寿命。
[0042]
在所示的示例中，牺牲轴承32的外圈32b与转子轴24旋转地联接，并且内圈32a固定到电动马达20的接地特征(grounded feature)34。作为另一种选择的实施方式，内圈32a可以与转子轴24旋转地联接，并且外圈32b固定到接地特征34。
[0043]
根据本发明，并且为了保护主轴承28、主轴承30免受放电事件的影响，牺牲轴承32的导电率高于20μs，并且用于牺牲轴承32的击穿电压的值小于主轴承28、主轴承30的击穿电压的值。如图2中所示，通过降低牺牲轴承的击穿电压，经由牺牲轴承产生低电阻路径，以确保电流(诸如，高频接地电流和/或差模循环电流(differential mode circulating current))通过牺牲轴承32接地。更确准确地说，电流从转子轴连续地传递到外圈32b、滚动元件32c和内圈32a，然后传递到接地34。
[0044]
为此，一方面的主轴承28、主轴承30以及/或者另一方面的牺牲轴承32被构造为具有不同的击穿值。更特别地，对于主轴承28、主轴承30的给定击穿值，牺牲轴承32被构造为具有比主轴承的击穿值小的击穿值。相反，对于牺牲轴承32的给定击穿值(given breakdown value)，主轴承28、30被构造为具有比牺牲轴承的击穿值高的击穿值。在下文中，给出一些示例以说明调节主轴承和/或牺牲轴承的击穿值的技术方案，从而确保电流通过牺牲轴承并保护主轴承免受放电事件的影响。
[0045]
有利地，可以增大主轴承28、主轴承30的电容和/或击穿电压。例如，主轴承28、主轴承30的材料和/或几何特征也可以按照使主轴承28、主轴承30的电容和/或击穿电压增大的方式来优化。
[0046]
为了进一步帮助保护主轴承28、主轴承30，降低牺牲轴承32的击穿电压，使得牺牲轴承32提供低电阻路径，以确保诸如高频接地电流和/或差模循环电流的电流通过牺牲轴承接地。这可以通过在牺牲轴承32中使用导电润滑剂来实现。
[0047]
出于此目的，牺牲轴承32的导电润滑剂可以有利地构造为减少电势的累积(buildup)。另外，也可以按照牺牲轴承32的击穿电压降低的方式优化牺牲轴承32的材料和/或几何特征。
[0048]
例如，导电润滑剂可以包括添加剂，添加剂被构造为将其自身结合在牺牲轴承32的至少一个内滚道和/或至少一个外滚道和/或滚动元件的表面上，并且降低表面电势和/或表面隔离。这也可能导致牺牲轴承32的较低的介电强度，从而导致用于牺牲轴承32的击穿电压降低。
[0049]
此外，导电润滑剂可以是流体，优选地是非极性基流体(non-polar base fluid)、
极性基流体(polar base fluid)或离子流体(ionic fluid)。此外，导电润滑剂可以包含强酸(优选地接近或完全离子化的强酸)或可溶性弱酸、或者一种或多种可溶性碱(soluble bases)(优选地碱金属的氢氧化物)。此外，流体可以包括高离子迁移率，并且氢氧化物可以具有高溶解度(solubility)。
[0050]
如图2所示，牺牲轴承6有利地相对较小或至少小于主轴承28、主轴承30，以降低滚动元件表面速度。例如，牺牲轴承32可以具有6mm和12mm之间(例如约8mm)的孔径，以及18mm和26mm之间(例如约22mm)的外径。滚动元件表面速度与击穿电压有关。因此，通过降低滚动元件表面速度，也可以降低击穿电压。
[0051]
为了进一步减小牺牲轴承32的击穿电压比，所述轴承32优选地具有滚动元件32c的半径与圈交叉半径之间的大的比例，这减小了赫兹(hertzian)接触压力。这降低了牺牲轴承32的电容，因此也降低了牺牲轴承32的击穿电压。反之亦然，将主轴承28、主轴承30构造为用于较大的赫兹接触压力可能是有利的，这增大了主轴承28、主轴承30的击穿电压的值，并因此增加了主轴承28、主轴承30的寿命。最后，牺牲轴承32的赫兹接触压力的值小于主轴承28、主轴承32的赫兹接触压力的值。
[0052]
根据本发明的另一个实施方式，牺牲轴承32的组件(/组成部件)(components)中的至少一个组件(/组成部件)，诸如内圈32a、外圈32b和/或滚动元件32c，优选地具有相当大的表面粗糙度，因为这也降低了击穿电压。例如，牺牲轴承32的组件(/组成部件)(components)中的所述至少一个组件(/组成部件)的表面粗糙度大于50nm。相反，主轴承28、主轴承30的组件(/组成部件)(component)的表面粗糙度优选地可以是低的。主轴承28、主轴承30的滚道有利地可以包括增大击穿电压的涂层。
[0053]
例如，主轴承可以是具有成组的陶瓷滚动元件和/或至少一个陶瓷轴承圈的混合轴承。此外，牺牲轴承可以是具有成组的钢滚动元件和钢轴承圈的钢轴承。主轴承和牺牲轴承的滚动元件可以是任何种类的滚动元件，诸如球、滚子、圆锥滚子、滚针滚子等。
[0054]
总之，通过固有地增加主轴承电容和击穿电压，并且通过为电流(诸如，共模接地电流和/或差模循环电流)的流动提供高电阻路径，同时创建穿过牺牲轴承的低电阻路径，以确保诸如高频接地电流和/或差模循环电流的电流接地，可以增加支撑电动马达的转子的主轴承的寿命。这是通过为牺牲轴承提供导电润滑剂来实现的。