北京交通大学轴电流课题组提出一种电动汽车电机容性和感性轴电流的综合建模方法

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导语

针对电动汽车800 V高压平台下电机轴电流带来的轴承电蚀问题，本文给出了一种更高精度的容性和感性轴电流综合模型及参数提取方法。为了验证模型的准确性，针对一台220 kW电动汽车异步电机，搭建了轴电流测试平台和综合仿真模型，测试结果与仿真结果的对比证明了仿真模型及参数提取的准确性。

研究背景

随着电动汽车电机向着“高频、高压、高功率化”发展，轴电流问题愈加凸显，轴承电蚀加剧。现有轴电流综合模型容性回路采用简单集中参数、感性回路建模存在误区，导致共模电流和感性轴电流难以准确预测。

针对上述问题，北京交通大学轴电流课题组依托国家自然科学基金（51777008）和北京自然科学基金（3222055），提出一种电动汽车电机容性和感性轴电流综合建模方法，对一台220 kW异步电机展开了阻抗测试、参数提取、仿真和测试研究，分阶段验证了仅存在容性轴电流以及容性、感性轴电流同时存在时模型的精度，为电机轴电流问题的分析与抑制提供理论依据和工程指导。

论文所解决的问题及意义

本文针对现有综合模型容性回路简化、难以准确反映高频阻抗变化，以及感性回路将等效共模总阻抗当作激磁阻抗使用的问题开展研究，从实际电机结构及两类回路的耦合关系出发，建立一种容性和感性轴电流的综合模型，并针对一台220 kW电动汽车异步电机开展仿测对比，对准确预测及抑制轴电流有重要意义。

论文方法及创新点

1、容性与感性轴电流综合建模

如图1所示，模型由变频器、电机容性回路、感性回路和轴承回路组成。容性回路区分高、低频寄生电容支路，并考虑共模电感LCM、涡流电阻Re和引线电感LE，以反映不同频段的阻抗特性。感性回路采用四层电阻—电感阶梯电路，描述趋肤效应引起的定、转子阻抗随频率变化。通过解析关系与受控电压源连接两类回路，厘清等效共模总阻抗与激磁阻抗的区别。轴承回路则分别表征油膜完好时的电容状态与击穿后的电阻状态。

图1 电机容性和感性轴电流的综合模型

2、电机阻抗测试及模型参数提取

对于容性回路参数的提取：如图2所示采用阻抗分析仪进行1 kHz至10 MHz的共模、差模端口扫频测试，结合端口电容测试结果并基于图3及图4所示各频段下的特征点及所对应的电路提取容性回路参数。

图2 电机端口阻抗测试的示意图

图3 电机端口阻抗测试的结果

图4 电机共模阻抗不同频段和差模阻抗的等效电路

对于感性回路参数的提取：拆解电机后，如图5所示分别测量带机壳的定子和转子轴两端阻抗，在2.3 kHz至2.3 MHz内选取四个频点提取阶梯电路参数。

结果表明上述仿真与实测阻抗曲线均较好吻合，验证了上述参数提取方法的正确性。

图5 电机铁心阻抗测试图

3、电动汽车220kW异步电机轴电测试方案

以800 V平台的220 kW异步电机为测试对象，搭建如图6所示的实验台。实验中，共模电压及轴电压的采集使用泰克P5200a差分电压探头；共模电流采集时由于三相线比较粗，普通高频电流探头难以夹住，因此采用AC柔性电流探头CP9012LA系列罗氏线圈采集；轴电流的采集使用泰克TCP0030A电流探头。

图6 电机实验台

4、综合模型精度的验证

借助Matlab/Simulink仿真平台搭建图2所示的综合模型，仿真采用对应转速下实测共模电压作为激励，分别验证仅有容性轴电流、容性与感性轴电流共存时仿真与实测时模型的精度。

以电机转速2000r/min为例，当三个轴承外圈与机壳均绝缘时，如图7所示共模电流Icom与轴电压Vb的仿真、实测波形吻合良好。

图7 电机2000 r/min下的轴电压、共模电流仿测对比

同样地以电机转速2000r/min为例，短接驱动端和非驱动端的绝缘层、保留减速器端绝缘后，形成两端轴承间的循环回路。如图13所示，非驱动端Inb、驱动端Ib大小基本相等，相位相反。说明此时电流在非驱动端Inb和驱动端Ib循环，减速器端因为轴承油膜电容和peek的绝缘，基本没有轴电流流过。经验证在2000、6000和12000 r/min三个测试转速下，两类轴电流共存时，驱动端及非驱动端轴电流峰峰值的仿测相对误差均小于4%。

图8 2000 r/min下共模电流和轴电流的仿测对比

结论

本文针对共模电压与循环轴电压共同作用下轴电流精确计算的难题，提出一种高精度电动汽车电机轴电流综合建模方法，通过进行参数提取及仿测对比得出以下结论：
1）容性轴电流回路参数可精确模拟电机各频段端口阻抗；感性回路中定转子阻抗采用阶梯电路，可还原铁心阻抗频变特性。

2）所提综合模型基于解析关系联合容性与感性回路，在共模与循环轴电压共同激励下，轴电流仿真测误差均小于4%，厘清了等效共模总阻抗与激磁阻抗关系，精度更高。

3）分析了两种轴承绝缘配置下的轴电压与轴电流特性，发现润滑油膜阻抗及绝缘措施显著影响轴电压幅值和轴电流路径；基于该模型可对比绝缘轴承与导电环不同安装位置的轴电流抑制效果，为制定抑制方案提供依据。

团队介绍

由北京交通大学刘瑞芳教授牵头的轴电流课题组长期围绕变频供电交流电机轴电流的产生机理、预测模型、抑制方法和测试技术进行研究。主持/参与国家/省部级项目 18 项，发表高水平论文 80 余篇，授权国家发明专利 7 项。研究成果应用于解决风力发电、轨道交通和新能源汽车领域的电机轴承电蚀问题。

刘瑞芳

北京交通大学电气工程学院教授、博导，研究方向为电力电子与电机系统集成分析。

郝雅丽

北京交通大学电气工程学院硕士，研究方向为电力电子与电机系统集成分析

本工作成果发表在2026年第12期《电工技术学报》，论文标题为"一种电动汽车电机容性和感性轴电流的综合建模方法"。本课题为国家自然科学基金和北京自然科学基金资助项目。

引用本文

郝雅丽, 刘瑞芳, 陈立珂, 李知浩, 钟辉. 一种电动汽车电机容性和感性轴电流的综合建模方法[J]. 电工技术学报, 2026, 41(12): 3998-4010. Hao Yali, Liu Ruifang, Chen Like, Li Zhihao, Zhong Hui. A Comprehensive Modeling Method of Capacitive and Inductive Bearing Currents in Electric Vehicle Motors. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(12): 3998-4010.