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1、第九章 电动机故障诊断,电机的故障和诊断技术与电机的工作原理、运 行方式、具体结构密切相关。无论是何种电机，其 内部按能量转换的原理分为三个环节（或称系统） ：电气环节、磁耦合环节、机械环节。因为这三个 环节的能量形式不同，所应用的故障诊断技术相应 地有所差异。电气环节的故障主要通过对电压、电 流的各种测量和分析来诊断，例如绝缘材料的老化 ，通过测量漏地电流来判定等等。,91 电动机类型特点与测定标准,911 电机的主要部件与电机类型 一、电机的主要部件： 定子。是输入电功率，产生磁场的静止部件。对于交流电机，通常定子磁场是旋转的。对于直流电机，定子磁场是静止的。 转子。是产生一个与定子磁场相
2、对运动的磁场，并输出机械功率的重要部件。所承受的电磁力转为输出的扭矩，因此往往要承受较大的机械应力。 集电环和换向器。是构成旋转部分导电，建立相对运动磁场的滑动接触机构。 轴承装置。是支撑转子旋转，保持定子、转子相对位置的机械结构。 二、电机的类型与工作原理的区别 电动机的两个磁场均由直流励磁产生，则为直流电动机； 电动机的一个磁场由直流励磁产生，另一个由交流电流产生。为使这两个磁场相对静止，直流励磁磁场相对交流电产生的旋转磁场必须严格同步，这就是同步电动机。 电动机的两个磁场分别由不同频率的交流电流产生，则为异步电动机。,912 电机振动的测量与判定标准 电机振动测定是指电机在制造厂出厂试验
3、或试验室内的振动研究试验、检修后现场试验时的电机振动水平的准确测量，因此，对于电机的安装条件、测试仪器、测点装置、测量要求等都作了规定。 这种测定的目的：一是为了确定电机振动初始状态时的振动水平，判定这台电机出厂时或投入运行时振动值是否符合有关标准的规定；二是为以后电机异常振动的诊断提供初始的参照数据。因此电机振动的测定，其目的和方法均与电机异常振动诊断有所区别。,一电机振动有关标准 GBl006888旋转电机振动测定方法及限值（国家标准） IEC 3414(1986)中心高为56mm及以上旋转电机的振动振动烈度的测量、评定及限值（国际电工协会颁布） ISO 2372(1974)转速从10rs
4、机器的机械振动评定标准的基础（国际标准化组织颁布） ISO 3945(1985)转速10rs机器的机械振动在运行地点对振动烈度的测量和评定（国际标准化组织颁布） VDI 2056机器的机械振动评价标准(德国标准),二电机振动的测定方法 1测量值的表示方法 不同转速范围的电机，其测量值的表示方法是不同的。国家标准规定，对转速为6003600 rmin的电机，稳态运行时采用振动速度有效值表示，其单位mms。对转速低于600 rmin的电机，则采用位移振幅值（峰峰值）表示，其单位为mm。 2对测量仪器的要求 (1) 仪器的频率响应范围应为101000Hz，在此频率范围内的相对灵敏度以80Hz的相对灵
5、敏度为基准，其他频率的相对灵敏度应在基准灵敏度+1020的范围以内，测量误差不超过10。 (2) 测量转速低于600 rmin电机的振动时，应采用低频传感器和低频测振仪，测量误差应不超过10。,3电机的安装要求 (1) 弹性安装。轴中心高为400mm及以下的电机，测振时应采用弹性安装。 (2) 刚性安装。对轴中心高超过400mm的电机，测时应刚性安装。 4电机在测定时的状态 电机的测振应在电动机空载状态下进行。 ,三电机振动的限值 根据国家标准GBl00682-88旋转电机振动测定方法及振动限值的规定，对不同轴中心高和转速的单台电机，在按GBl00681规定的方式测定时，其振动速度有效值应不超
6、过表9-1的规定。 表91 电动机振动速度有效值的极限标准（mms）,92 电磁耦合系统的振动原理,921 交流感应电动机的电磁振动 一、基频磁通的电磁振动 在电机气隙中磁通密度是沿着转子的圆周的空间而随着 时间按正弦波分布，可以用下式表示： （92） 由于磁通密度的作用力与磁通密度B的平方成正比： （93） 根据上式可知基波电磁力具有以下特点： 频率为电源频率的两倍，即2f=100Hz； 以正弦波规律在圆周上分布； 随时间以角速度回转。,图94 基波电磁力分布,基波电磁振动, 空气隙长度和磁路不平衡时； 一次电压不平衡时； 转子绕组不平衡(断条和接触 不良)时。 这一振动，在转子受椭圆形电
7、磁力的两极电机中特别明显地表现 出来。图94表示了基波电磁力F 的圆周方向的分布情况。 二倍电源频率的振动，它是电 机中的主要振动分量之一，尤其是在大型电机中，由于定子的固有频率 较低，这种频率的振动分析和研究显得特别重要。 基波电磁力不仅作用于转子，也同时作用于定子。是造成定子槽内 线包松动等故障的原因之一。,二、高频磁通的槽振动 由于槽的磁导率变化等原因，产生高频槽振动，在它引起的槽齿谐波中，特别要注意的频率成分是fk： （94） （95）,根据K值，电磁力的各阶模态呈如图95所示的形状。 这种电磁力是一种径向力波(又称旋转波)，并且是单位 面积上的力，当这些力波频率以及其阶次与定子对应的
8、固有 频率及其模态阶次接近或一致时，将发生共振效应，此时， 电机的振动和噪声将特别大。,图95 电磁力的各阶模态,高频磁通的槽振动的频谱,例如，一台四极电机，P=2，转子的槽数ZR =40，定子槽数ZS =48， 先计算其模态阶数K： K0=|ZRZS |=|4048|=8 K1=|ZRZS2P|=|40484|=4 K2=|ZRZS2P|=|40484|=12 图96是对这台电机在距其一米的位置，用电容式传声器测试的声音 信号的频谱。其中，fk0=1000Hz，fk1=1100Hz的频率成分能明确地看出来 ，此时，前述的fk1=1100Hz是占主要的，而fk2=900Hz则看不出来。,图96
9、 交流感应电机（P=2，ZR =40，ZS =48）的声音频谱图,图97 电磁力F(x,，t)在圆周上的分布振型模态,922 直流及同步电动机的电磁振动 直流电动机的主磁极和转子绕组之间作用着半径方向的电磁力F(x，t)这是振动的原因，它可用下式表示： （96） （97） 图97 电磁力F(x,，t)在圆周上 的分布振型模态这个力F(x，t)在 空间上以余弦波cos(ZRx)在圆周上分 布，圆周上具有的余弦波数根据的 值如图97所示分布。并保持这种分 布形状以槽角速度(ZRr)旋转，形成 激振力引起定子振动。 定子根据的值产生伸缩模态、 弯曲模态、椭圆模态、三角形模态而 变形。,直流电机主要的
10、激振力与槽频率,这个振动电磁力F(x，t)在时间上从式96第二项看， 是用cos(ZRrt)表示的余弦波，因此，作为振动频率体现出的成份是下式的槽频率 。 （98） 直流电机主要的激振力为这个 和其高次谐波。 当槽数ZR=75，极对数2P=6时， N=300 rpm时， =375 Hz； N=1200 rpm时， =1500 Hz,同步电机的电磁噪声和振动频率的特点,对于同步电机的电磁噪声和振动频率，它有一个大的特 点，就是与电网频率成整数倍的关系。在同步电机中，有二 类径向力波引起的振动必须注意。其一是二倍电网频率的振 动；其二是定、转子谐波磁场相互作用，而产生的径向力波 引起的振动。 对于
11、直流电动机的故障特征可以归纳为以下几条： 如果转频fr的振动很明显，则有不平衡、轴弯曲等机械异常。 如果2xfr振动明显，则有不对中等安装方面的异常。 槽频率fz以及边频带fzfr的振动明显，则有包括电路异常的电气故障的可能。 如fz和fn接近，则设计不合理。 高频fc成分明显时，线圈绝缘磨损或楔松动。,图98 电磁振动发生机理 a) 2极电机定、转子和磁通 b) 定子所受电磁力和旋转力波 c) 旋转磁场波形 d) 磁拉力变化波形 e) 电磁振动的波形,93 电动机的故障特征,931 定子异常产生的电磁振动 电机运行时，转子在定子内腔旋转，由于定、转子磁场的相互作用，定子机座将受到一个旋转力波
12、的作用，而发生周期性的变形并产生振动。 由于定子三相绕组产生的是一个旋转磁场，它在定、转子气隙中以同步速度n0旋转。若电网频率为f0，则同步速度n0=60 f0/P。因此，作用在机座上的磁拉力不是静止的，而是一个旋转力，随转子旋转而转动，机座上受力部位是随磁场的旋转而在不断改变位置。从图98c)至e)中可以看出，当旋转磁场回转一周，磁拉力和电磁振动却变化两次。,电机磁场是以同步速度n0在旋转，则其磁场交变频率与电网频率相同，为f0。而其电磁力的频率和机座振动频率由图98b中可以看出，由于旋转磁场的磁极产生的电磁拉力是每转动一圈，电磁力交变P次。 因电磁振动在空间位置上和旋转磁场是同步的，定子电
13、磁振动频率应为旋转磁场频率(f0P)和电磁力极数(2P)之乘积2f0，也就是2倍的电源频率。由此可知，电机在正常工作时，机座上受到一个频率为电网频率2倍的旋转力波的作用，而可能产生振动，振动大小则和旋转力波大小和机座刚度直接有关。,定子电磁振动异常主要原因及特点,定子电磁振动异常的主要原因 （1）定子三相磁场不对称。如电网三相电压不平衡，因接触不良造成单相运行，定子绕组三相不对称等原因，都会导致定子磁场的不对称，而产生异常振动。 （2）定子铁心和定子线圈松动，将使定子电磁振动和电磁噪声加大，在这种情况下，振动频谱图中，电磁振动除了2f0的基本成份之外，还可以出现4 f0、6 f0、8 f0的谐
14、波成分。 （3）电动机座底脚螺钉松动，其结果相当于机座刚度降低，使电动机在接近2f0的频率的范围发生共振，因而使定子振动增大，结果产生异常振动。 定子电磁振动的特征： 1）振动频率为电源频率的2倍； 2）切断电源，电磁振动立即消失； 3）振动可以在定子机座和轴承上测得； 4）振动幅值与机座刚度和电机的负载有关。,932 气隙不均匀引起的电磁振动 气隙不均匀（或称气隙偏心）有两种情况，一种是由于定子、转子不同心产生的静态不均匀；另一种是由于轴弯曲或转子与轴不同心所产生的动态不均匀。它们都会引起电磁振动，但是振动的特征并不完全相同，分述于下。 （一）气隙静态不均引起电磁振动 电动机定子中心与转子轴
15、心不重合时，定、转子之间气隙将出现偏心现象，这种气隙偏心往往固定在某一位置，它不随转子旋转而改变位置。从图910a)中可以看出，由于通过气隙最小点A的旋转磁场频率为f0P，这时不平衡磁拉力将变化2P次，因不平衡磁拉力和电磁振动频率为 。,图910 静态、动态偏心的电磁振动 a) 静态偏心 b) 动态偏心 c) 动态偏心电磁力的拍振,静态气隙偏心产生的电磁振动特征是： 1）电磁振动频率是电源频率f0的2倍，即f=2 f0； 2）振动随偏心值的增大而增加，与电动机负荷关系也是 如此； 3）气隙偏心产生的电磁振动与定子异常产生的电磁振动 较难区别。,（二）气隙动态偏心电磁振动 电动机气隙的动态偏心是
16、由转轴挠曲、转子铁心不圆或转子与轴不同心等造成的，偏心的位置对定子是不固定的，对转子是固定的，因此，偏心位置随转子的旋转而同步的移动，如图910b)所示。 气隙动态偏心产生电磁振动的特征是： 1）转子旋转频率和旋转磁场同步转速频率的电磁振动都可能出现。 2）电磁振动以1(2sf0)周期在脉动，因此，在电动机负载增加，s加大时，其脉动节拍加快。 3）电动机往往发生与脉动节拍相一致的电磁噪声。,933 转子导体异常引起的电磁振动 笼型异步电动机因笼条断裂，绕线型异步电动机由于转子回路电气不平衡，都将产生不平衡电磁力，这不平衡电磁力F在转子旋转时是随转子一起转动的，其性质和转子动态偏心的情况相同，其发生的机理如
