大家好，我是老林。
之前微信公众号上发表过《电机电腐蚀“鸡与蛋”：先有轴电压，还是先有轴电流？》一文，详细拆解了轴电压与轴电流的因果关系。不少读者好奇，轴电压是导致轴承电腐蚀的主要原因，那轴电压又是从哪来的，咱们今天就展开讲讲。
一、电机驱动方式
在深入电压形成之前，我们先搞清楚一个基础问题：电机是怎么被驱动的？
市电直接驱动——这是比较传统的方式。市电是标准的三相正弦波，三相在频率、相位、幅值大小上完全对称（120° 均匀相移）。当三相电源完全平衡时，三相的共模电压会相互抵消——相线和机壳之间几乎攒不起电位差，共模电压基本为0，相线间的差模电压稳定且均衡。注意：除大型机座电机外，通常不需要轴承保护。
图1 市电直接驱动的原理示意图
变频器驱动——现代工业的主流方式。变频器VFD是通过内部开关元件（比如 IGBT）快速通断（三相电压会在0、正值、负值之间快速切换，且切换速度极快），相电压VV、VU、VW为矩形脉冲，几乎任意时刻都不对称，共模电压≠0。
图2 变频器驱动的原理示意图
这两种驱动方式的区别，正是理解差模电压和共模电压问题的出发点。
二、什么是共模电压和差模电压？
在强电系统中，共模电压（Common Mode Voltage）是相与地之间的电压——三相绕组的中性点（三相绕组连接点）对地电压为共模电压或零序电压，Vcm=(VV+VU+VW)/3。
而差模电压（Differential Mode Voltage）是相与相之间的电压——定子绕组中任意两相（如U-V、V-W、U-W）之间的电压差，Vdm=VV-VU。
三、形成原理和过程
1、要理解电压如何形成，先了解一下电机内部结构
电机主要由定子、转子和机壳（含机座）三大核心部件组成。三相绕组（UVW）对称嵌置在在定子铁芯槽中，接线方式通常为星形（Y形）或三角形，转子和转轴刚性相连，转轴通过轴承与机壳实现定位支撑，定子与转子无直接机械接触，两者之间有一层均匀气隙，定子固定在机壳内侧，机壳（含机座）作为电机的机械支撑与防护结构，通常会接地，成为电机电气系统的参考地。
图3 电机整体结构示意图
图4 定转子内部拆解示意图
金属机壳与内部绕组和转子之间没有直接电连接（中间隔了绝缘纸、浸渍漆、漆包线漆层、空气、油膜等绝缘介质），金属机壳与绕组形成电容的金属极板，与机壳形成等效平行板电容。
同理可得，电机里除了“定子绕组-机壳”等效电容Cwf，还有“转子-机壳”的等效电容Crf（金属转轴与机壳之间隔了油膜/空气，转子会被绕组的交变磁场感应出交变电位），“定子-转子”等效电容Cwr，“驱动侧轴承-转轴”等效电容Cb,de，“非驱动侧轴承-转轴”等效电容Cb,nde等等，构成了一个复杂的寄生电容网络。
别看这些寄生电容的值很小（通常皮法到纳法级），根据容抗公式Xs = 1/(2πfC)计算，其容抗Xs很大（兆欧级），但是在高频高压环境下，电容的容抗会随频率升高而显著减小，它们会成为高频电流的重要流通通路。
图5 电机结构等效电路图
2、差模电压的形成过程和影响因素
①差模电压的主要形成来源
三相电源本身的不平衡：包括电压幅值偏差、相位不完全对称，属于基础诱因；
电网谐波干扰：电网中的谐波成分会叠加在基波电压上，加剧相线间的压差波动；
接地不良：接地不良会间接影响三相电压的对称稳定性，但对差模电压的影响占比极低。
②电机内部结构不对称会加剧差模电压放大，例如三相绕组的匝数存在差异、导线电阻不均、定子磁路设计偏差、气隙分布不均等。
3、共模电压的形成过程和影响因素
①共模电压的主要形成来源
变频器带来的副作用：大部分变频器采用脉宽调制（PWM）技术，通过快速开关 IGBT 等功率器件模拟正弦波，这种高频开关动作会在电机三相绕组中性点产生高频电压波动，波动通过绕组对地电容形成通路，直接催生共模电压；
三相不平衡导致的偏差：现实中因负载不均、线路阻抗差异等导致三相电压不对称，使电机中性点电压偏离零点，形成基础共模电压；
电机分布电容的传导：电机绕组与机壳、电缆相线与地线之间存在的分布电容，在高频环境下容易成为共模电流的流通通路，进一步放大共模电压的影响。
②共模电压由耦合强度、接地状态和变频器输出参数共同决定：
耦合强度：寄生电容容量越大（如定子与机壳间距小、气隙小），电位耦合越强烈；
接地状态：机壳接地电阻越大、接地松动，机壳电位无法及时泄放，绕组与机壳、转子与机壳的电位差会持续累积，共模电压大幅升高；
变频器参数：VFD的脉冲频率越高、电压变化率（dv/dt）越大，中性点的高频波动越剧烈，共模电压的幅值和变化速度同步提升。
四、为什么要关注差模/共模电压？
变频驱动系统中，共模与差模电压相伴而生，其引发的问题是电机故障的重要根源。
差模电压会导致电机额外发热、铁损增加，冲击绕组绝缘，加剧电压与电流不平衡。而共模电压则会引发轴承电腐蚀、轴电压损伤密封，产生电磁干扰（EMI），加速绝缘老化，存在机壳带电等安全隐患，还会干扰测量与反馈系统。
规避思路：
可以选用低谐波变频器，加装差模滤波器或共模滤波器，抑制谐波干扰、削弱高频共模电压的幅值，选用高导热绝缘材料，提高电机绕组散热能力。
通过机壳良好接地、转轴上安装导电环接地等方式，转子上的能量会直接导至机壳，为寄生电容释放能量提供通路，避免轴电压击穿导致电腐蚀。
图6 导电环照片（图片来源于和骋科技官网https://mptsh.com/）
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