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摘 要：本文结合某新型导电环创新项目案例展开研究，基于项目案例开发背景，提出了适应于油冷环境的新型导电环创新性研发技术措施，详细叙述了产品创新概念设计、详细设计及优化、样件开发、测试验证等方面内容；同时，针对导电环研发技术难点阐述了相应的解决措施，最终取得了突出的研发成果。

关键词：新型导电环；创新概念设计；金属支架；测试台架

引言

随着800V电压平台在电驱动桥系统中的广泛应用，更高的电压平台使得逆变器共模电压幅值成倍提升。经过电机电容的耦合电路，会在电机轴承两端产生较高的轴电压，当轴电压大于轴承油膜可承受的最大电压时，油膜被击穿发生放电现象，放电能量产生的高温可融化轴承内圈、外圈或滚珠上许多微小区域，并形成凹槽，从而产生噪声、振动。若不能及时发现、处理，将导致轴承失效。目前，主流解决方案是通过在轴承旁边放置导电环，其阻抗值远低于轴承的阻抗值，轴电流流经导电环使轴承短路，起到保护轴承的作用[1]。现有导电环的结构形式主要有两种：导电纤维、特氟龙环形导电环，主要应用于干燥环境，摩擦损耗也较大，价格比较昂贵。随着油冷电驱桥逐渐成为主流趋势，适用于油冷环境、低摩擦损耗以及价格低廉的导电环的研究和开发成为热点。

1 项目开发背景

基于产品迭代更新和市场需求，适应于油冷电驱动桥的导电环开发格外重要。新型导电环结构要能够适应油压冲击，在整个寿命周期保证始终与电机轴保持接触；导电环材料选择需与电驱动用到的油品兼容，在电驱桥的寿命周期内不发生化学反应，同时导电环的材料能够使阻抗值达到最小，保证轴电流从导电环流过[2]；对于导电环新型结构的要求，应实现与电机轴的机械摩擦损耗最小，对电驱动桥的效率起到积极的影响，并且其结构要易于制造和安装，价格低廉。依据上述要求，对于新型导电环开展创新性研发。

2 导电环创新性研发

油的应用环境对于导电环提出了新的要求，目前市场上比较通用的高导电纤维导电环（见图1）由于纤维的柔韧性，受到油流的冲击时纤维与电机轴接触不好，导致导电功能失效。同时随着效率要求越来越高，导电环的机械损耗需越低越好。因此，对于新型导电环的要求，在保证功能的同时，对于效率影响要最小。

本文对于新型导电环的研究，首先提出了创新概念，并且对概念进行细化设计，然后打样进行测试验证，确保性能达到要求、损耗最小，同时开展耐久测试确保满足整个寿命周期的功能需求。

2.1 创新概念设计

在油冷电驱动桥中，油用来冷却电机，同时润滑轴承和齿轮；导电环为了保护轴承，需要放置于靠近轴承的位置；故在此环境中，导电环的周边油流很丰富。因此，新型导电环要能抵挡住油压的冲击，始终保持与电机轴的接触。

基于此要求，创新了如图2所示的新型导电环概念。此新型导电环包括两个零件，碳环和金属支架。碳环压装在电机轴上，金属支架外圈压装在壳体上，内圈与碳环接触。碳环可以避免金属支架与电机轴的直接接触，提高了NVH性能，同时碳环也可以保证新型导电环的导电性能。金属支架的内圈与碳环接触，装配后发生了受力变形，能够抵抗油压冲击，使其在整个寿命周期都能与碳环紧密接触，保持导电性能稳定。

对于适应于油冷环境的导电环，定义了具体的性能要求，如表1所示。

2.2 产品详细设计及优化

依据上述概念设计，进行产品的详细设计。其中，金属支架的功能主要有两个：第一，连接电机轴和壳体，将轴电流导地；第二，提供抵抗油压冲击力的反作用力。对于机械损耗的要求，在电桥运行时，金属支架与碳环之间相对运动的摩擦损耗要小。基于此，两者之间的接触力应合适，既要保证轴电流的传导要求，又要实现损耗小[3]。并且，考虑到运行时NVH的要求，噪音要小且接触稳定，金属支架与碳环的接触面表面要光滑。

基于如上考虑，构造了如图3所示的金属支架结构，设计了6个凸包与碳环接触，控制金属支架装配后折弯处的变形距离，来保证合适的接触力，达到生命周期内的永久接触以及合适的摩擦损耗。

通过测试发现，每个折弯处只有一个凸包，在凸包处会有油液堆积；同时由于油液冲击，单个凸包与碳环接触也不稳定。于是设计了两个相邻凸包的结构，油液可从两个凸包的间隙处易于流走；在一个凸包有油液堆积时，另一个凸包可以保持与碳环的接触，确保导电功能。在凸包上要有良好的圆角过渡，使其与碳环接触的表面圆滑，不会割破碳环，没有磨损，避免产生噪音。

金属支架的材料应具有良好导电性能，同时具备很好的弹性，能够准确控制变形的弹力以达到良好的接触以及小的损耗。因此，选择C67S作为金属支架的材料。

根据金属支架的尺寸和最大摩擦损耗的要求，定义了金属支架和碳环的接触力，为F=2N，金属支架与碳环接触处的半径为r=30mm，两者间的摩擦系数为μ=0.14，在最大转速为20000rpm时，通过计算可得到最大损耗为17.8W左右，如下所示：

碳环要压装过盈在电机轴上，考虑到压装要求，碳环要具有一定强度，碳环的导电性能要好，与金属支架接触的表面要光滑。基于以上要求，材料选择等静压石墨，碳环的强度为30～40HRC，电阻值小于0.5μΩm，表面粗糙度为Rz3.2。

2.3 产品样件开发

金属支架通过冲压工艺完成样件加工，对于凸包结构，为了达到尺寸和表面光洁程度的要求，进行了多次冲压定型，最终达到了尺寸和表面质量要求。碳环要求高强度，低电阻率，各向同性；等精压石墨材料经过3次浸渍，3次焙烧，最终获得碳环样件。

2.4 测试验证分析

对新型导电环开展功能和耐久测试；其中，功能测试在特制的工装台架上进行，耐久测试在电驱动产品上进行。

2.4.1 功能测试

根据性能要求，对新型导电环进行阻抗、机械损耗和磨损的验证，构造了如图4所示的特制测量台架。两个导电环装配在一根轴上，阻抗测量仪测量头通过铜螺栓，穿过绝缘壳体与两个导电环分别接触。测量得到的阻抗值的一半，即单个导电环的阻抗值。

对于摩擦扭矩的测量，先测量未装配导电环的扭矩；然后在同一个工装上装配导电环，再次测量扭矩；装配导电环测量的扭矩减去未装配导电环的扭矩为两个导电环的摩擦扭矩，此摩擦扭矩的1/2即为单个导电环的摩擦扭矩。

结合如上概念，设计了图5中的工装台架详细结构，为了使结构更紧凑，使用了背靠背的两个角接触球轴；对两个导电环的中间注入润滑油；润滑油流量为0.3L/min。根据具体设计，制造了工装样件，搭建测试台架，见图6。

测量转速范围为500～20000rpm，测量频率为100～2000KHz。通过测量结果可知，新型导电环在此油冷环境中表现为阻性状态，阻值在3.5±1.5Ω左右，达到设定目标，具体数值如图7所示。摩擦扭矩测量结果见图8，摩擦损耗最大值为0.08Nm左右，符合设计要求。

2.4.2 耐久测试

新型导电环的单体测试符合要求，继而将导电环装在电驱动桥上进行耐久测试，并未发现轴承电腐蚀的问题，同时导电环的金属支架和碳环也无可视的磨损。通过油品的检测，没有检测出超过标准的碳和金属颗粒。

3 研发难点与技术措施

由于特殊使用环境以及效率要求，均对新型导电环设计带来了技术挑战。导电环应用于油冷环境中也属于首次，无应用先例，也对导电环设计增加了难度。

3.1 导电环结构设计

导电环应用于油冷环境，既要保证导电性能，又要对效率没有影响。由于导电环装配在靠近轴承的位置，同时在电机轴上难以设计导油结构，故导电环受油流冲击的影响很大。导电环的结构要能承受油压的冲击，同时接触力也不能过大，以免增加摩擦损耗。在此要求下，两个凸包的结构解决了上述问题。

为了使金属支架的凸包处具有足够柔性以及回弹力，通过几轮测试可知材料厚度越薄、柔性越高；同时为了保证金属支架强度足够，厚度越厚、强度越高。如图9所示设计了金属支架的组装结构，弹片厚度为0.2mm的金属片冲压成型，外圈本体为0.8mm的金属片冲片成型，弹片和外圈本体用铆钉铆接。此结构既保证了凸包位置的弹性，又保证了整体强度。

3.2 台架结构设计

为了节省测试时间和台架资源，需在一个工装台架上完成所有参数测量。根据需要测量的参数类型和数据种类，设计了一套既可测量阻抗、容抗，又可测量扭矩的测试工装。在一个轴上装配两个新型导电环，装配导电环和轴承的壳体均为塑料，起到绝缘作用。两个导电环通过铜环和铜螺栓与阻抗测量仪的测试端子相接，台架轴尾端通过绝缘联轴器与扭矩测量仪相连，实现在一套台架上可同时测量阻抗、容抗和摩擦扭矩（见图10）。

4 结语

本文根据电机油冷环境特点，提出了导电环应用时要能克服油流冲击，在电桥整个生命周期内保证导电环导电性能且机械摩擦损耗要小，对电桥效率不会产生较大影响。在以上要求下，设计了新型导电环结构，通过导电环金属支架的装配变形克服油流冲击；设定金属支架的变形力最大为2N，保证摩擦损耗在20W内；金属支架与碳环接触的表面要光滑，碳环压装在电机轴上，避免了金属零部件之间的直接接触，提升了NVH性能。通过实验验证，阻抗值、容抗值和机械摩擦损耗均符合设计要求。此新型导电环填补了油冷电机环境的应用空白，解决了无合适零部件的问题。

参考文献：

[1] 殷广，朱晨迪，余旭东.电机轴电流预防措施的研究分析[J].专用汽车，2022，（06）：51-54. DOI：10. 19999/j.cnki.1004-0226.2022.06.016.

[2] 艾波.永磁同步电机轴电压和轴电流研究[D].重庆大学，2014.

[3] 丁梵林.电机轴电流产生的原因及其防止措施[J].大电机技术，1981，（04）：26-30+2.

作者简介：董野，男，汉族，1982.09-，江苏徐州人，硕士研究生，工程师，研究方向：新能源汽车电驱动桥设计