モーターベアリングの電気腐食を解決する方法

可変周波数駆動装置（VFD）で駆動されるモーターにおいて、シャフト電圧が発生する原因は何ですか？ ベアリング電流はどのように測定できますか？

ベアリング電流の発生源

ベアリング電流とは、シャフト電圧によって誘起され、モーターのベアリングを通過する高周波放電電流です。その根本原因は、VFDが生成するパルス幅変調（PWM）電圧にあります。このPWM電圧は、正弦波ではなく、急速に切り替わる正および負のパルス列として出力されます。これにより、3相間で平均電圧が不平衡となり、「共模電圧（common-mode voltage）」と呼ばれる現象が生じます（しばしば6ステップ方形波として現れます）。

VFD駆動モーターでは、共模電圧がモーター内部構造における静電容量結合を介してシャフト電圧を誘起します。この電圧がベアリング潤滑膜の絶縁耐力（絶縁強度）を超えると、放電が発生し、 静電容量性EDM（Electrical Discharge Machining：電気火花加工）電流 軸受のレースウェイにマイクロピットおよびフューティングを形成するものである。高電力モーター（通常75 kW超）では、高周波磁束がさらにシャフト端子電圧を誘起し、 高周波循環電流 が発生して、両端の軸受を同時に損傷する。この2種類の電流が、電気的軸受損傷の主な原因である。

静電容量性放電加工電流（キャパシティブEDM電流）

電動機の内部構造は、コンデンサと同様に機能する。インバータ（VFD）からの共模電圧が、電動機シャフト上に静電容量結合による電圧を発生させる。このシャフト電圧は、軸受を介して電動機フレームへアーク放電することにより放電され、静電容量性EDM電流を構成する。

シャフト電圧は、デジタルオシロスコープと VOLSUN シャフト電圧プローブ を用いて測定できる。放電は、高周波電圧スパイクとして現れる。

これらの放電アークは、1秒間に数万回も発生する可能性があり、ベアリンググリースを劣化させ、電気的放電加工（EDM）を引き起こします。その結果、ベアリングの軌道面に数千個もの微細な凹み（ピット）が生じます。これらのピットと劣化したグリースにより摩擦が増大し、NVH（ノイズ、振動、ハーシネス）問題を招きます。

ベアリング電流の影響

時間の経過とともに、ベアリング内部でのアーク放電によって生じる微小な凹みが蓄積し、表面に「フロスト（霜付き）」と呼ばれるマットな仕上げが現れます。フロスト状態のベアリングは健全なベアリングに比べて表面粗さが大きく、摩擦が増大し、発熱量が上昇するとともに、ベアリングの軌道面がさらに劣化します。また、電気的損傷と振動の相互作用により、縞模様または「ピケットフェンス（柵状）」パターンと呼ばれる「フラッティング（溝状摩耗）」が生じます。

一度フラッティングが発生すると、ベアリングの破損は間近です。フラッティングを起こしたベアリングは過度な振動と特徴的な高音のキーキー音を引き起こします。以下の図には、ベアリングの電気的侵食の代表的なタイプが示されています。

VOLSUN社第3世代導電性リング（シャフトグラウンディングリング） 軽量設計とコンパクトな構造を備えており、ベアリングユニットに直接取り付けることが可能で、電気自動車（EV）が求める厳しいスペースおよび重量制約を満たします。さらに、メンテナンスフリー仕様によりアフターサービスの負担を軽減し、ベアリングの電食問題に対処するための信頼性の高いソリューションを提供します！