電機的故障診斷技術(shù)與電機的工作原理、運行方式和具體結構密切相關(guān)。無(wú)論哪種電機，其內部根據能量轉換原理分為三個(gè)環(huán)節(或系統):電氣環(huán)節、磁耦合環(huán)節和機械環(huán)節。由于這三個(gè)環(huán)節的能量形式不同，應用的故障診斷技術(shù)也相應不同。電氣環(huán)節的故障主要是通過(guò)對電壓和電流的各種測量和分析來(lái)診斷的，比如絕緣材料的老化，通過(guò)測量泄漏電流來(lái)判斷等等。

一個(gè)

電機的類(lèi)型、特性和測量標準

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電機的主要部件

定子。它是一個(gè)輸入電能并產(chǎn)生磁場(chǎng)的靜態(tài)部件。對于交流電機，定子磁場(chǎng)通常是旋轉的。對于DC電機，定子磁場(chǎng)是靜態(tài)的。

轉子。它是產(chǎn)生相對于定子磁場(chǎng)運動(dòng)的磁場(chǎng)并輸出機械動(dòng)力的重要部件。接收到的電磁力被轉換成輸出力矩，因此經(jīng)常受到較大的機械應力。

集電環(huán)和換向器。它是一種滑動(dòng)接觸機制，使旋轉部件導電并建立相對運動(dòng)磁場(chǎng)。

軸承裝置。它是一種支持轉子轉動(dòng)并保持定子和轉子相對位置的機械結構。

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電機的類(lèi)型與工作原理的區別

電機的兩個(gè)磁場(chǎng)都是DC勵磁產(chǎn)生的，所以是DC電機；

電機的一個(gè)磁場(chǎng)由DC勵磁產(chǎn)生，另一個(gè)由交流電流產(chǎn)生。為了使這兩個(gè)磁場(chǎng)相對靜止，DC勵磁磁場(chǎng)必須與交流產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)嚴格同步，也就是同步電機。

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

2

電機振動(dòng)的測量和判斷標準

電機振動(dòng)測量是指在電機的出廠(chǎng)試驗或實(shí)驗室振動(dòng)研究試驗過(guò)程中，以及大修后的現場(chǎng)試驗中，對電機振動(dòng)水平的準確測量。因此規定了電機的安裝條件、測試儀器、測點(diǎn)裝置和測量要求。

該測量的目的是：

為了確定電機在振動(dòng)初始狀態(tài)下的振動(dòng)水平，確定電機出廠(chǎng)時(shí)或投入運行時(shí)的振動(dòng)值是否符合相關(guān)標準的要求；為今后電機異常振動(dòng)的診斷提供了初步的參考數據。因此，電機振動(dòng)測量的目的和方法不同于電機異常振動(dòng)的診斷。

1

電機振動(dòng)有關(guān)標準

GB/T 10068-2020 《軸中心高為56mm及以上電機的機械振動(dòng) 振動(dòng)的測量、評定及限值》(國家標準)iec 34-14 《中心高為56mm及以上旋轉電機的振動(dòng)——振動(dòng)烈度的測量、評定及限值》(國際電工協(xié)會(huì )發(fā)布)ISO2372 《轉速從10r/s機器的機械振動(dòng)——評定標準的基礎》(國際標準化組織發(fā)布)ISO3945 《轉速10r/s機器的機械振動(dòng)——在運行地點(diǎn)對振動(dòng)烈度的測量和評定》(國際標準化組織發(fā)布)VDI 2056

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電機振動(dòng)的測定方法

測量值的表示方法

不同速度范圍的電機的測量值以不同的方式表示。根據國家標準，轉速為600 ~ 3600 r/min的電動(dòng)機，應以穩態(tài)運行時(shí)振動(dòng)速度的有效值表示，單位為mm/s。轉速低于600轉/分的電機，采用位移幅值(峰-峰值)，單位為毫米

對測量?jì)x器的要求

儀器的頻率響應范圍應為10 ~ 10~1000Hz。該頻率范圍內的相對靈敏度基于80Hz的相對靈敏度。其他頻率的相對靈敏度應在參考靈敏度的10% ~-20%范圍內，測量誤差不超過(guò)10%。轉速低于600r/min的電機振動(dòng)測量應采用低頻傳感器和低頻測振儀，測量誤差不應超過(guò)10%。

電機的安裝要求

彈性安裝。在振動(dòng)測量期間，軸高為400毫米或以下的電機應彈性安裝。剛性安裝。軸心高度超過(guò)400mm的電機，測量時(shí)應嚴格安裝。

測量期間電機的狀態(tài)。

電機的振動(dòng)測量應在電機空載狀態(tài)下進(jìn)行。

圖1小型電機測點(diǎn)布局

圖2端蓋軸承電機測點(diǎn)布局

圖3底座軸承電機測點(diǎn)布局

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電機振動(dòng)的限值

根據國家標準GBl0068.2-88

在電機的氣隙中，磁通密度隨時(shí)間沿轉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(shí)間旋轉。

基本電磁振動(dòng)：

氣隙長(cháng)度和磁路不平衡時(shí)；當初級電壓不平衡時(shí)；轉子繞組不平衡時(shí)(斷條和接觸不良)。

圖4基本電磁力的分布

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

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

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

1

基頻磁通的電磁振動(dòng)

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

根據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(gè)電磁力是徑向力波(也叫旋轉波)，是單位面積的力。當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(shí)，就會(huì )發(fā)生共振效應。這個(gè)時(shí)候電機的震動(dòng)和噪音會(huì )特別大。

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

圖6交流感應電機聲譜圖(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(shí)，前面提到的fk1=1100Hz占優(yōu)勢，但看不到fk2=900Hz。

四

和DC同步電機的電磁振動(dòng)。

徑向電磁力F(x，t)——作用在DC電機的主磁極和轉子繞組之間。這是振動(dòng)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(gè)振動(dòng)模式

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

根據定子的值，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電機主激振力和槽頻fz:

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

DC電機的主要激振力就是這個(gè)fz及其高次諧波。

當凹槽數量ZR=75并且極對數2P=6時(shí)，

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

至于同步電機的電磁噪聲和振動(dòng)頻率，它有一個(gè)很大的特點(diǎn)，就是它是電網(wǎng)頻率的整數倍。在同步電機中，徑向力波引起的振動(dòng)有兩種，必須引起注意：

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

DC電機的故障特征可總結如下：

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

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當電機運行時(shí)，轉子在定子腔內旋轉。由于定子和轉子磁場(chǎng)之間的相互作用，定子基座將受到旋轉力波的作用，該力波將周期性地變形和振動(dòng)。

因為定子三相繞組產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，所以它在定子和轉子之間的氣隙中以同步速度n0旋轉。如果電網(wǎng)頻率為f0，則同步轉速N0=60f0/p .因此，作用在機座上的磁拉力不是靜態(tài)的，而是一個(gè)旋轉力，它隨著(zhù)轉子的旋轉而旋轉，機座受力部分隨著(zhù)磁場(chǎng)的旋轉而不斷改變位置。從(圖8c-e)可以看出，旋轉磁場(chǎng)轉一圈，磁張力和電磁振動(dòng)變化兩次。

圖8電磁振動(dòng)的機理

a)2極電機的定子、轉子和磁通量b)定子上的電磁力和旋轉力波。

c)旋轉磁場(chǎng)的波形d)磁張力變化的波形e)電磁振動(dòng)的波形。

電機磁場(chǎng)以同步轉速n0旋轉，其磁場(chǎng)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(dòng)頻率可以從圖8b中看出。旋轉磁場(chǎng)的磁極產(chǎn)生的電磁拉力是電磁力每旋轉一周交替p次。

由于電磁振動(dòng)與空間旋轉磁場(chǎng)同步，定子電磁振動(dòng)頻率應為2f0，即旋轉磁場(chǎng)頻率(f0/P)與電磁極數(2P)的乘積，是電源頻率的兩倍。可以看出，電機正常工作時(shí)，底座受到頻率為電網(wǎng)兩倍的旋轉力波，可能會(huì )引起振動(dòng)，而振動(dòng)與旋轉力波和底座的剛度有直接關(guān)系。

高頻磁通的槽振動(dòng)

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

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

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

定子異常產(chǎn)生的電磁振動(dòng)

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

六

不均勻氣隙引起的電磁振動(dòng)

氣隙不均勻(或偏心氣隙)有兩種情況：

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

定子電磁振動(dòng)異常的主要原因：

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當電機的中心與轉子的軸線(xiàn)不重合時(shí)，定子與轉子之間的氣隙會(huì )產(chǎn)生偏心，這種偏心往往固定在某一位置，不隨轉子的轉動(dòng)而改變位置。從圖9a可以看出，由于通過(guò)氣隙極小點(diǎn)A的旋轉磁場(chǎng)的頻率為f0/P，此時(shí)不平衡磁拉力會(huì )改變2P時(shí)間，因為不平衡磁拉力和電磁振動(dòng)頻率為

圖9靜態(tài)和動(dòng)態(tài)偏心電磁振動(dòng)

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

靜態(tài)氣隙偏心引起的電磁振動(dòng)的特征是：

電磁振動(dòng)頻率是工頻f0的兩倍，即f=2f0隨著(zhù)振動(dòng)偏心的增大，振動(dòng)偏心與電機負載的關(guān)系也是如此。氣隙偏心引起的電磁振動(dòng)很難區分

籠型異步電動(dòng)機因籠條斷裂會(huì )產(chǎn)生不平衡電磁力，繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機因轉子回路電氣不平衡會(huì )產(chǎn)生不平衡電磁力。這種不平衡電磁力F在轉子旋轉時(shí)會(huì )隨轉子一起旋轉，其性質(zhì)與轉子動(dòng)偏心相同。其機制如圖10所示。

圖10轉子繞組不平衡引起的電磁振動(dòng)

a)振動(dòng)的機理；b)電磁振動(dòng)波形

轉子繞組異常引起的電磁振動(dòng)特征：

轉子繞組異常引起的電磁振動(dòng)與電磁力和振動(dòng)波形中轉子動(dòng)態(tài)偏心引起的電磁振動(dòng)相似，現象相似，難以區分。雖然拍頻是2sf0，但是電磁振動(dòng)的高頻部分是不一樣的。轉子動(dòng)偏心高頻為2f0/P，轉子繞組異常高頻為2 (1-s) F0/p，電機負荷增大，振動(dòng)增大，尤其是負荷超過(guò)50%時(shí)。如果分析電機的定子電流波形或振動(dòng)波形的頻譜，在頻譜圖中基頻的兩側都出現了2sf0的邊頻。根據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(shí)的電流頻譜(滿(mǎn)載)