[摘要]本文旨在探讨轴电流现象及其对电磁兼容(EMC)测试结果的潜在影响，通过分析轴电流产生的原理、危害性，并提出有针对性的防治措施，以期为电磁兼容设计与测试领域提供参考。通过实验和分析，揭示了轴电流在电磁兼容测试中的重要性，并提出测试工装解决方案，以提高电磁兼容测试的准确性和可靠性。
[关键词] 轴电流；电磁兼容；电磁干扰；防治措施
王昭华
中汽研新能源检验中心（天津）有限公司工程师，研究方向为电磁兼容、电驱电控等。
引言
轴电流是指在旋转电机或发电机的轴和轴承之间流动的电流，其主要由电机转子和定子之间的电容耦合效应导致[1]。当电机运行时，转子和定子之间的电容会导致电流通过轴向流动，形成轴电流[2]。
轴电流的出现，可能导致以下危害：一是轴承损伤。轴电流可引起电腐蚀，加速轴承磨损，减少使用寿命；二是绝缘破坏。在电机绕组与地之间形成漏电路径，长期作用下可能导致绝缘系统损坏；三是信号干扰。轴电流产生的电磁场可能干扰附近的电子设备，影响其正常工作；四是安全隐患。极端情况下，轴电流可能导致火花放电，构成火灾或爆炸风险[3]。轴电流作为电气设备中常见的异常现象，不仅影响设备的可靠性和安全性，还可能干扰电磁兼容性能评估，对其进行深入研究具有重要意义[4]。
1 轴电流的基本原理及其对EMC的影响
轴电流的产生通常是多种因素综合作用的结果，了解这些原因对于采取有效的预防和解决措施至关重要，以保护电机不受损害[5]。轴电流产生的原因主要包括：电机绕组或电源的不对称性导致磁场不均衡，引起轴电压，进而形成轴电流[6]；不同接地布置和条件改变了电流的流通路径，不当的接地可诱发轴电流[7]；附近高压输线路或无线电波等外部源产生的电磁场，可能感应出轴电压，在屏蔽不好的情况下可能导致轴电流产生[8]；轴承磨损产生的微粒可降低绝缘性能，也会促进轴电流的形成。
轴电流对电磁兼容性能的影响主要体现为：在辐射干扰方面，轴电流产生的磁场和电场可作为辐射源干扰周围电子设备正常运行，影响其电磁兼容性测试结果；在传导干扰方面，轴电流可能通过地线或电源线回路传导，影响系统的电源质量和信号完整性；在进行EMC测试方面，轴电流可能被错误地识别为其他干扰源，导致测试结果的不准确或测试失败。轴电流引起的干扰可能使设备难以满足相关的电磁兼容标准要求[9]。
2 轴电流测试
采用电流钳法对电机半轴上的轴电流进行测量，具体测试布置如图1所示。测试过程中，电机通过绝缘工装固定于测试台架，电机经接地带实现接地。将电流钳卡装于半轴，并通过同轴电缆将其连接至测量设备（接收机），以采集轴电流信号。
图2轴电流测试结果
测试首先在电机处于非工作状态下进行背景噪声测量，频段范围为150kHz（千赫兹）〜245MHz（兆赫兹），测得结果如图2中曲线1所示。随后，在电机运行状态下，于同一频段内对轴电流进行测试，获得数据如图2中曲线2所示。将两组测试结果进行比对分析发现，在150kHz〜60MHz频段内，轴电流引起的电磁发射水平显著高于背景噪声，两者差异明显，其中轴电流测试结果最大值较背景噪声高出约50dB（分贝）。该结果表明，轴电流对该频段内的电磁发射具有显著影响。
本研究同时开展了辐射发射与传导发射－电流法测试，重点针对500kHz〜6MHz频段内轴电流的影响进行深入分析与讨论。
2.1 辐射发射
图1 轴电流测试方法
本部分依据国家标准GB/ T 18655—2018《车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车载接收机的限值和测量方法》中规定的试验方法，对被测设备（DUT）的辐射发射性能进行测试。试验布置严格遵循标准要求，DUT采用图1所示的接地方式进行接地，测试频段设定为500kHz〜6MHz。在完成基础接地条件下的测试后，进一步对两种改进接地方式进行了对比试验：其一为在图1接地方式的基础上，使用铜编织带将电机两侧轴进行接地；其二为在图1接地方式的基础上，使用铜编织带将电机壳体与两侧工装半轴支架进行电气连接。
测试结果显示，三种接地方式下所测得的辐射发射频谱曲线整体趋势基本一致，但在辐射发射水平上存在明显差异。其中，采用图1所示基础接地方式时，辐射发射值显著高于其他两种改进接地方式，平均高出约20dB。而电机两侧轴接地与电机壳体—半轴支架连接这两种改进接地方式所测得的辐射发射结果较为接近，差异并不显著。
上述比对结果表明，在500kHz〜6MHz频段内，轴电流是影响系统辐射发射的一个重要因素。采用电机两侧轴接地或电机壳体与两侧工装半轴支架连接的接地方式，均可有效抑制因轴电流引起的辐射发射增强现象，改善效果明显。为深入理解不同接地方式对辐射发射的影响机制，现对测试结果差异的原因作如下分析：
在仅采用图1所示基础接地方式时，轴电流主要在电机与半轴内部形成回流路径。此时，电机的两根轴体相当于一对单极天线，能够将共模电流转化为电磁场向外界辐射，从而导致该频段内辐射发射水平升高。
当采用电机两侧轴接地方式时，轴电流的回流路径由电机壳体、半轴以及轴接地铜编织带共同构成。由于该路径的阻抗显著低于半轴内部自然形成的回路阻抗，轴电流被引导通过铜编织带流向电机壳体，继而经由电机接地线及高压母线屏蔽层最终泄放至接地平面。这一低阻抗路径有效避免了高频电流通过半轴形成天线效应，从而抑制了电磁辐射。
在电机壳体与两侧工装半轴支架连接的接地方式中，轴电流通过电机壳体、半轴、半轴支架及铜编织带所构成的回路进行回流。该路径同样具有较低的回路阻抗，能够引导轴电流经半轴支架与铜编织带流向电机壳体，并最终通过电机接地点和高压母线屏蔽层导入接地平面。因此，该接地方式也能有效阻断轴电流通过高阻抗路径形成的辐射，降低系统的辐射发射水平。
2.2 传导发射—电流法
依据GB/T 18655—2018标准要求进行试验布置，被测设备（DUT）采用图1所示接地方式，并进行传导发射电流法测试。随后，将轴支架的绝缘部分去除，使其与工装直接连接，在保持其他条件不变的情况下再次进行传导发射电流法测试，并对两次测试所获数据进行比较分析。
测试结果对比表明，当轴支架与工装直接连接后，在500kHz〜6MHz频段内的传导发射信号出现明显抬高，说明轴电流对该频段的测试结果产生了显著影响。其原因可解释为：在轴支架绝缘部分被去除并与工装直接连接后，轴电流将沿轴支架流向工装，再经电机接地线流回电机壳体。该路径构成一个电流回路，其结构等效于两个环形天线，能够向外辐射电磁信号。此辐射信号会耦合至被测线束上，从而导致传导发射测试结果升高。
3 结论
综上所述，轴电流对辐射发射和传导发射—电流法测试结果都会造成影响。对于辐射发射测试，上述两种方法都可以消除500kHz〜6MHz频段轴电流的影响，本质在于为轴电流提供一个更小的阻抗路径，使轴电流可以流向接地平面，而不是在轴内部形成回路从而产生干扰信号。对于传导发射—电流法测试，应考虑工装设计，避免轴电流的路径形成环路，从而耦合到被测线束影响测试结果。
电机测试工装对轴电流的影响主要体现在其设计和使用方式上，可能会对电机的电磁环境造成变化，从而影响轴电流的产生和流通。
以下是电机测试工装可能对轴电流影响的几个方面：
共模电压变化：在变流器和电机系统中，共模电压是产生轴电压的关键因素之一。测试工装如果设计不当，可能会改变系统的共模电压分布，从而间接影响轴电流的大小和特性。
轴承电势差：由于磁路不平衡、单极效应等原因，转轴两端或轴与轴承之间可能产生电势差，形成轴电压。测试工装的设计和使用应确保不会加剧这种不平衡，避免增加额外的轴电流风险[10]。
逆变器供电特性：对于采用PWM（脉冲宽度调制）变频电源供电的电机，电源三相输出电压的矢量和不为零的零序分量是产生轴电压的主要原因。因此，测试工装需考虑这一供电特性，以确保测试过程中不会产生异常的轴电流。
集电环装置和转子端部绕组设计：如果测试工装中的集电环装置和转子端部绕组设计考虑不周，可能会导致磁动势不能相互抵消，进而产生轴向的剩余磁通[11]。
绕组与壳体间分布电容：大电机绕组与壳体间分布电容较大时，会增加轴电流烧蚀轴承的风险。测试工装应减少额外的寄生电容引入，以降低这种风险。
反向电动势的影响：反向电动势会对电机电流和电压产生影响，可能导致测试结果的偏差。在测试过程中需要充分考虑并补偿这种影响，确保测试的准确性。
静电感应和电容电流：电机运行时可能因静电感应和电容电流等原因产生轴电压。测试工装应采取措施减少这些因素对测试过程的干扰。
开关频率：变频电机功率模块的开关频率高，会导致通过绕组与壳体间分布电容的峰值电流大，增加电蚀风险。因此，测试工装在模拟或测量时应考虑到这一点，避免高频操作引发额外问题。
参考文献
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