[发明专利]带有绝缘涂层的轴承圈

说明书

提供了一种非常规低温工艺，该非常规低温工艺用于将具有高密度、高纯度、最小孔隙率和改进的粘合强度的薄电绝缘涂层布置施加到钢轴承部件。轴承部件由钢形成，并且轴承部件以机加工或其它方式形成为接近最终形状。在惰性环境中使用非水电解液将高纯度铝电化学沉积在钢轴承部件上，以至少在钢轴承部件的一部分上形成高纯度铝涂层。然后，通过酸浴将高纯度铝涂层的表面转化为氧化铝，以形成绝缘层。还提供了一种轴承部件和一种具有这种部件的轴承。

技术领域

本发明涉及用于使电气机器(诸如交流电动机和直流电动机、发电机、交流发电机和其它旋转轴机器)中的轴电流绝缘的装置。更具体地，本发明涉及陶瓷电绝缘滚动元件轴承。

背景技术

联接到采用快速切换装置(诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT))的脉冲宽度调制(PWM)可变速换流器驱动装置的电气机器的出现、发展以及越来越多的使用已导致电气机器中的滚动元件轴承故障的增加。轴承寿命减少和轴承故障率增加是由于轴承电流从旋转轴通过轴承流到机架。这种轴承电流表现为由于轴承滚道与滚动元件之间的放电加工(EDM)而造成的损坏，由此导致轴承滚道和滚动元件的物理机械损坏，这可能最终导致轴承组件的过早故障。

由于电气机器中的机械不对称，所以轴感应电流是电动机和发电机固有的。此外，由于PWM换流器驱动装置的切换频率的非常高的速率，所以共模电压(CMV)比非PWM驱动机器增大。这种增大的CMV导致机器的转子轴与定子框架之间的电势差。当CMV电势超过轴承的阻抗时，在轴中感应出电流，并且电流穿过轴承寻求接地，潜在地导致轴承的EDM损坏。

在静态(静止)条件期间，润滑剂(例如，油或油脂)在滚动元件与滚道配合表面之间在接触和负载下移位，由此导致对于电流在滚动元件与滚道表面之间穿过的低电阻。

在瞬态(启动条件大于额定转速的约15％)和正常稳态操作条件期间，在滚动元件与滚道表面之间产生并保持润滑剂膜厚度。这种弹性流体动力润滑剂(EHL)膜厚度使配合表面从润滑剂膜上的接触和“骑坐”分离。

已经采用了许多方法来防止轴感应电流对轴承造成EDM损坏。这些技术包括：轴承外表面或轴承套上的介电陶瓷涂层(诸如氧化铝或氧化硅)；使用法拉第屏障来防止轴上的电荷积聚；导电轴承油脂；以及由导电材料(诸如铜、黄铜或碳)制成的轴接触接地刷。

已经采用了介电陶瓷轴承涂层取得了一些成功，但还具有一些缺点。涂层非常硬且易碎，并且在安装期间或在安装之后在机械负载下可能破裂。这些介电陶瓷涂层由于孔隙率而具有有限的介电强度。

通常，这些陶瓷绝缘涂层通过高速氧气火焰(HVOF)、低压等离子体或其它高温沉积工艺被施加到金属基底。由于不完美的沉积工艺，所产生的涂层固有地是多孔的。另外，陶瓷材料必须在沉积工艺期间被加热到非常高的温度，这可能对金属基底材料(例如，材料微观结构、硬度、热处理)产生负面影响。金属沉积工艺(诸如HVOF或低压等离子体)也产生相对不纯的陶瓷涂层。由于涂层的多孔和不纯的结构(该结构包括许多空隙和杂质)，所产生的涂层将具有有限的介电强度。在高电压电势下，电流可能穿过涂层结构内固有的这些空隙和瑕疵，从而导致电弧，该电弧损坏涂层，穿过涂层并潜在地导致对轴承的EDM损坏。

当对涂层施加机械负载时，涂层孔隙率也可能促进裂缝形成。所产生的裂缝可能使电流穿过涂层，从而导致对轴承的损坏。

经由HVOF或低压等离子体沉积工艺施加的陶瓷绝缘涂层对于基底材料也具有有限的粘合强度。

法拉第屏障已经被成功使用，但是在工业中的大多数应用中实施起来非常昂贵。

导电油脂允许电流连续穿过轴承表面，但可能包含诸如铜、碳或磷的元素，该元素可能导致轴承表面的过度磨损，从而导致轴承的过早故障。