電機(jī)的故障診斷技術(shù)與電機(jī)的工作原理、運行方式和具體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。無論哪種電機(jī)，其內(nèi)部根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理分為三個環(huán)節(jié)(或系統(tǒng)):電氣環(huán)節(jié)、磁耦合環(huán)節(jié)和機(jī)械環(huán)節(jié)。由于這三個環(huán)節(jié)的能量形式不同，應(yīng)用的故障診斷技術(shù)也相應(yīng)不同。電氣環(huán)節(jié)的故障主要是通過對電壓和電流的各種測量和分析來診斷的，比如絕緣材料的老化，通過測量泄漏電流來判斷等等。

一個

電機(jī)的類型、特性和測量標(biāo)準(zhǔn)

1

電機(jī)的主要部件

定子。它是一個輸入電能并產(chǎn)生磁場的靜態(tài)部件。對于交流電機(jī)，定子磁場通常是旋轉(zhuǎn)的。對于DC電機(jī)，定子磁場是靜態(tài)的。

轉(zhuǎn)子。它是產(chǎn)生相對于定子磁場運動的磁場并輸出機(jī)械動力的重要部件。接收到的電磁力被轉(zhuǎn)換成輸出力矩，因此經(jīng)常受到較大的機(jī)械應(yīng)力。

集電環(huán)和換向器。它是一種滑動接觸機(jī)制，使旋轉(zhuǎn)部件導(dǎo)電并建立相對運動磁場。

軸承裝置。它是一種支持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并保持定子和轉(zhuǎn)子相對位置的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2

電機(jī)的類型與工作原理的區(qū)別

電機(jī)的兩個磁場都是DC勵磁產(chǎn)生的，所以是DC電機(jī)；

電機(jī)的一個磁場由DC勵磁產(chǎn)生，另一個由交流電流產(chǎn)生。為了使這兩個磁場相對靜止，DC勵磁磁場必須與交流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場嚴(yán)格同步，也就是同步電機(jī)。

電機(jī)的兩個磁場分別由不同頻率的交流電產(chǎn)生，所以是異步電機(jī)。

2

電機(jī)振動的測量和判斷標(biāo)準(zhǔn)

電機(jī)振動測量是指在電機(jī)的出廠試驗或?qū)嶒炇艺駝友芯吭囼炦^程中，以及大修后的現(xiàn)場試驗中，對電機(jī)振動水平的準(zhǔn)確測量。因此規(guī)定了電機(jī)的安裝條件、測試儀器、測點裝置和測量要求。

該測量的目的是：

為了確定電機(jī)在振動初始狀態(tài)下的振動水平，確定電機(jī)出廠時或投入運行時的振動值是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；為今后電機(jī)異常振動的診斷提供了初步的參考數(shù)據(jù)。因此，電機(jī)振動測量的目的和方法不同于電機(jī)異常振動的診斷。

1

電機(jī)振動有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 10068-2020 《軸中心高為56mm及以上電機(jī)的機(jī)械振動 振動的測量、評定及限值》(國家標(biāo)準(zhǔn))iec 34-14 《中心高為56mm及以上旋轉(zhuǎn)電機(jī)的振動——振動烈度的測量、評定及限值》(國際電工協(xié)會發(fā)布)ISO2372 《轉(zhuǎn)速從10r/s機(jī)器的機(jī)械振動——評定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)》(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布)ISO3945 《轉(zhuǎn)速10r/s機(jī)器的機(jī)械振動——在運行地點對振動烈度的測量和評定》(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布)VDI 2056

2

電機(jī)振動的測定方法

測量值的表示方法

不同速度范圍的電機(jī)的測量值以不同的方式表示。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)速為600 ~ 3600 r/min的電動機(jī)，應(yīng)以穩(wěn)態(tài)運行時振動速度的有效值表示，單位為mm/s。轉(zhuǎn)速低于600轉(zhuǎn)/分的電機(jī)，采用位移幅值(峰-峰值)，單位為毫米

對測量儀器的要求

儀器的頻率響應(yīng)范圍應(yīng)為10 ~ 10~1000Hz。該頻率范圍內(nèi)的相對靈敏度基于80Hz的相對靈敏度。其他頻率的相對靈敏度應(yīng)在參考靈敏度的10% ~-20%范圍內(nèi)，測量誤差不超過10%。轉(zhuǎn)速低于600r/min的電機(jī)振動測量應(yīng)采用低頻傳感器和低頻測振儀，測量誤差不應(yīng)超過10%。

電機(jī)的安裝要求

彈性安裝。在振動測量期間，軸高為400毫米或以下的電機(jī)應(yīng)彈性安裝。剛性安裝。軸心高度超過400mm的電機(jī)，測量時應(yīng)嚴(yán)格安裝。

測量期間電機(jī)的狀態(tài)。

電機(jī)的振動測量應(yīng)在電機(jī)空載狀態(tài)下進(jìn)行。

圖1小型電機(jī)測點布局

圖2端蓋軸承電機(jī)測點布局

圖3底座軸承電機(jī)測點布局

3

電機(jī)振動的限值

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBl0068.2-88

在電機(jī)的氣隙中，磁通密度隨時間沿轉(zhuǎn)子圓周呈正弦波分布，可用下式表示：

由于磁通密度的力與磁通密度b的平方成正比：

根據(jù)上述公式，基本電磁力具有以下特征：

頻率是電源的兩倍，即2f=100Hz；按正弦波定律分布在圓周上；以角速度隨時間旋轉(zhuǎn)。

基本電磁振動：

氣隙長度和磁路不平衡時；當(dāng)初級電壓不平衡時；轉(zhuǎn)子繞組不平衡時(斷條和接觸不良)。

圖4基本電磁力的分布

這種振動在轉(zhuǎn)子受橢圓電磁力的兩極電機(jī)中尤為明顯。圖4示出了基本電磁力f的圓周分布

倍頻振動是電機(jī)，尤其是大型電機(jī)的主要振動成分之一。由于定子的固有頻率較低，對該頻率的振動分析和研究就顯得尤為重要。

基本電磁力不僅作用在轉(zhuǎn)子上，也作用在定子上。是定子槽線包松動的原因之一。

1

基頻磁通的電磁振動

由于槽磁導(dǎo)率的變化，會發(fā)生高頻槽振動。在其引起的槽齒諧波中，要特別注意的頻率分量是fk:

根據(jù)k的值，電磁力的模式是圖5所示的形狀。

圖5電磁力的模式

這個電磁力是徑向力波(也叫旋轉(zhuǎn)波)，是單位面積的力。當(dāng)這些力波的頻率和階次與定子的固有頻率和模態(tài)階次接近或一致時，就會發(fā)生共振效應(yīng)。這個時候電機(jī)的震動和噪音會特別大。

比如一臺四極電機(jī)，P=2，轉(zhuǎn)子槽數(shù)ZR=40，定子槽數(shù)ZS=48，先計算其模態(tài)階數(shù)K:

圖6交流感應(yīng)電機(jī)聲譜圖(P=2，ZR=40，ZS=48)

圖6示出了由電容式麥克風(fēng)在距離該馬達(dá)一米處測試的聲音信號的頻譜。其中，fk0=1000Hz和fk1=1100Hz的頻率成分可以清晰的看到。此時，前面提到的fk1=1100Hz占優(yōu)勢，但看不到fk2=900Hz。

四

和DC同步電機(jī)的電磁振動。

徑向電磁力F(x，t)——作用在DC電機(jī)的主磁極和轉(zhuǎn)子繞組之間。這是振動的原因，可以用下面的公式表示：

圖7電磁力F(x，t)在圓周上的分布3354個振動模式

圖7電磁力F(x，t)在圓周上的分布3354個振型。這個力F(x，t)在圓周上分布為空間上的余弦波cos(ZRx)。圓周上余弦波的數(shù)量根據(jù)的值分布，如圖7所示。并保持這種分布形狀，以槽角速度(ZRr)旋轉(zhuǎn)，形成激振力引起定子振動。

根據(jù)定子的值，產(chǎn)生拉伸模態(tài)、彎曲模態(tài)、橢圓模態(tài)和三角形模態(tài)進(jìn)行變形。

DC電機(jī)主激振力和槽頻fz:

振動電磁力F(x，t)是一個余弦波，用上面公式的第二項cos(ZRrt)表示時間。因此，反映為振動頻率的分量是下式的槽頻率fz。

DC電機(jī)的主要激振力就是這個fz及其高次諧波。

當(dāng)凹槽數(shù)量ZR=75并且極對數(shù)2P=6時，

在N=300轉(zhuǎn)/分時，fz=375赫茲；在N=1200轉(zhuǎn)/分時，fz=1500赫茲

至于同步電機(jī)的電磁噪聲和振動頻率，它有一個很大的特點，就是它是電網(wǎng)頻率的整數(shù)倍。在同步電機(jī)中，徑向力波引起的振動有兩種，必須引起注意：

一個是兩倍電網(wǎng)頻率的振動；二是定子和轉(zhuǎn)子間諧波磁場相互作用產(chǎn)生的徑向力波引起的振動。

DC電機(jī)的故障特征可總結(jié)如下：

如果變頻fr振動明顯，則存在不平衡、軸彎曲等機(jī)械異常。如果2xfr振動明顯，則存在異常

2

當(dāng)電機(jī)運行時，轉(zhuǎn)子在定子腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)。由于定子和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互作用，定子基座將受到旋轉(zhuǎn)力波的作用，該力波將周期性地變形和振動。

因為定子三相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，所以它在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中以同步速度n0旋轉(zhuǎn)。如果電網(wǎng)頻率為f0，則同步轉(zhuǎn)速N0=60f0/p .因此，作用在機(jī)座上的磁拉力不是靜態(tài)的，而是一個旋轉(zhuǎn)力，它隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，機(jī)座受力部分隨著磁場的旋轉(zhuǎn)而不斷改變位置。從(圖8c-e)可以看出，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)一圈，磁張力和電磁振動變化兩次。

圖8電磁振動的機(jī)理

a)2極電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子和磁通量b)定子上的電磁力和旋轉(zhuǎn)力波。

c)旋轉(zhuǎn)磁場的波形d)磁張力變化的波形e)電磁振動的波形。

電機(jī)磁場以同步轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)，其磁場交變頻率與電網(wǎng)頻率相同，為f0。電磁力的頻率和基座的振動頻率可以從圖8b中看出。旋轉(zhuǎn)磁場的磁極產(chǎn)生的電磁拉力是電磁力每旋轉(zhuǎn)一周交替p次。

由于電磁振動與空間旋轉(zhuǎn)磁場同步，定子電磁振動頻率應(yīng)為2f0，即旋轉(zhuǎn)磁場頻率(f0/P)與電磁極數(shù)(2P)的乘積，是電源頻率的兩倍。可以看出，電機(jī)正常工作時，底座受到頻率為電網(wǎng)兩倍的旋轉(zhuǎn)力波，可能會引起振動，而振動與旋轉(zhuǎn)力波和底座的剛度有直接關(guān)系。

高頻磁通的槽振動

1

定子三相磁場不對稱。如電網(wǎng)三相電壓不平衡、接觸不良導(dǎo)致單相運行、定子繞組三相不對稱等。都會導(dǎo)致定子磁場不對稱，產(chǎn)生異常振動。

定子鐵芯和定子線圈的松動會增加定子的電磁振動和噪聲。在這種情況下，在振動頻譜圖中，除了2f0的基本分量外，電磁振動中還可以出現(xiàn)4f0、6f0和8 f0的諧波分量。

電機(jī)的底座螺絲松動相當(dāng)于底座剛度降低，使電機(jī)在接近2f0的頻率范圍內(nèi)共振，從而加大定子的振動，產(chǎn)生異常振動。

定子異常產(chǎn)生的電磁振動

2

振動頻率是電源頻率的兩倍；切斷電源，電磁振動立即消失；振動可在定子機(jī)座和軸承上測量；振動幅度與底座的剛度和電機(jī)的負(fù)載有關(guān)。

六

不均勻氣隙引起的電磁振動

氣隙不均勻(或偏心氣隙)有兩種情況：

一種是定子和轉(zhuǎn)子偏心造成的靜態(tài)不均勻；另一種是由軸的彎曲或轉(zhuǎn)子與軸之間的偏心引起的動態(tài)不均勻性。都是引起電磁振動的，只是振動的特點不完全一樣，下面介紹。

定子電磁振動異常的主要原因：

3

當(dāng)電機(jī)的中心與轉(zhuǎn)子的軸線不重合時，定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙會產(chǎn)生偏心，這種偏心往往固定在某一位置，不隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而改變位置。從圖9a可以看出，由于通過氣隙極小點A的旋轉(zhuǎn)磁場的頻率為f0/P，此時不平衡磁拉力會改變2P時間，因為不平衡磁拉力和電磁振動頻率為

圖9靜態(tài)和動態(tài)偏心電磁振動

a)靜態(tài)偏心率；b)動態(tài)偏心率；c)動態(tài)偏心電磁力的拍振

靜態(tài)氣隙偏心引起的電磁振動的特征是：

電磁振動頻率是工頻f0的兩倍，即f=2f0隨著振動偏心的增大，振動偏心與電機(jī)負(fù)載的關(guān)系也是如此。氣隙偏心引起的電磁振動很難區(qū)分

籠型異步電動機(jī)因籠條斷裂會產(chǎn)生不平衡電磁力，繞線式異步電動機(jī)因轉(zhuǎn)子回路電氣不平衡會產(chǎn)生不平衡電磁力。這種不平衡電磁力F在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時會隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，其性質(zhì)與轉(zhuǎn)子動偏心相同。其機(jī)制如圖10所示。

圖10轉(zhuǎn)子繞組不平衡引起的電磁振動

a)振動的機(jī)理；b)電磁振動波形

轉(zhuǎn)子繞組異常引起的電磁振動特征：

轉(zhuǎn)子繞組異常引起的電磁振動與電磁力和振動波形中轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心引起的電磁振動相似，現(xiàn)象相似，難以區(qū)分。雖然拍頻是2sf0，但是電磁振動的高頻部分是不一樣的。轉(zhuǎn)子動偏心高頻為2f0/P，轉(zhuǎn)子繞組異常高頻為2 (1-s) F0/p，電機(jī)負(fù)荷增大，振動增大，尤其是負(fù)荷超過50%時。如果分析電機(jī)的定子電流波形或振動波形的頻譜，在頻譜圖中基頻的兩側(cè)都出現(xiàn)了2sf0的邊頻。根據(jù)邊頻與基頻幅值的關(guān)系，可以判斷故障的程度。

圖11正常電流頻譜圖

圖12棒斷裂時的電流頻譜(滿載)