交流电动机的故障诊断

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电动机也象其它设备一样存在一些与其它设备一样的机械问题，然而也有些问题是电动机所特有的。电动机可分为交流感应异步电机和同步电机。下面所列的是问题是发生在变流感应异步电机中：电机磁力中心不正电机转子断条电机定子匝间短路以电源频率振动笛声效应过负荷用振动特征信号分析，不仅能检测机械问题，也能检测电动机有关问题这是因为，电动机内的磁场产生磁通量，磁通量产生电磁力，同时电动机中还有机械上产生的力，而电动机的轴承必须支承这些电气和机械上产生的所有的力。因此，在轴承座上设置力传感器可以直接测量这些力，或者间接地用诸如加速度计，速度传感器或者电涡流式位移传感器等振动传感器间接测量这些力到底是由电气引起的还是由机械问题引起的。

感应电动机振动分析

用振动分析可以检测的某些感应电动机故障问题包括：1．定子偏心，铁芯片短路和铁芯松动；2．转子偏心(可变的气隙)；3．转子故障(转子断条或短路，转子铁芯片短路，转子条松动等)；4．转子的不均匀的局部受热造成的转子热弯曲；5．由于接触器松动或断开造成的电气相移问题；6．同步电机的故障；7．直流电动机的故障；8．扭矩脉动故障。9.磁力中心不正

图12.1交流感应电动机及其定子、转子、转子条、气隙和磁场示意图

感应电动机振动分析

图12.2包括转子条、短路环和转子铁芯片的转子立体图交流感应电动机故障检测应注意的问题（一）

首先，如果怀疑电气故障问题，那么应该在电动机满负荷下进行评定电气状态的诊断试验。因为机器承载时，能表现出明显的症兆，尤其处在或接近100％负荷时。当然，这与电磁产生的力与拖动电流有密切的关系。第二所有检测的电气故障问题，大部分都是在2X电源频率f(也称为同步频率)处高于正常幅值。在美国，电源频率定为60赫兹，而在欧洲和中国，电源频率定为50赫兹。因此，对于美国，检测电气故障问题时，比较重要的频率就是120赫兹(或者7200转／分)；对于中国欧洲，则应该为100赫兹。为什么电气故障问题通常与两倍电源频率有关呢?而不是电源频率的基频?参见图12.3，在定子磁场3600转／分的一转过程中，朝向最靠近的极的磁拉力，从零上升到最大，在偏心转子中发生两次。因为磁场本身以3600转／分转速旋转，磁拉力在每分种内达到最大7200次(或者7200转／分)。

交流感应电动机故障检测应注意的问题（二）图12.3转子与定子之间不均匀的气隙

观察这一点的另一种方法是，因为转子的靠近侧首先被吸引到北极，然后被吸引到南极，力本身将以2X磁场相对于偏心的频率变化。因此，当转子与定子不同心时(或者由于偏心的转子或者由于偏心的定子)，它总是将影响7200转／分的振动。交流感应电动机故障检测应注意的问题（三）图12.4.静止的和旋转的气隙的变化保持在同一角向位置的静止的气隙问题与由偏心转子引起的旋转的气隙问题之间的差别。交流感应电动机故障检测应注意的问题（四）在检测分析交流感应电动机故障问题时，要提高频谱分析的频率分辩率，以便能区分开电气与机械方面的问题。为此，必须增加FFT的谱线数目，或是在“7200转／分附近作”细化谱“，或者减小最大频率范围。如下图所示，以便把2FL与转速频率的谐波2X、4X…分离开来。交流感应电动机故障检测应注意的问题（五）记住，如果两个靠得很近的谱峰差值等于频率分辩率×FFT窗口噪声系数（汉宁窗为1.5）所得的值，这两个谱峰才能得以显示出来。例如，最大分析频率范围为200Hz，使用400条谱线，选用汉宁窗，频率分辩率虽然为0.5Hz，此时，你不能将两个间距为0.5Hz的谱峰区分显示出来。这是因为，此时你所具有的分辩能力是0.5Hz×1.5＝0.75Hz。如果你把谱线数提高到3200条，此时你所具有的频率分辩能力为0.0625Hz×1.5＝0.094Hz。可以将任何两个频率间距大于0.094Hz的两个峰值区分开来。此外，在分析电动机电气方面问题时，要采用对数坐标刻度，而不是使用线性坐标刻度。这主要是为了能识别出在转频及其谐频周围是否存在电机的极通过频率成份，在通常情况下其幅值是很低的。交流感应电动机故障检测应注意的问题（六）频率范围为200Hz的电动机振动频谱在此你可以注意到2X转频和2Fl混合在一起。频率范围为200Hz局部细化并采对数坐标刻度的电动机振动频谱可以清楚地区分出每个峰值。交流感应电动机故障检测应注意的问题（七）线性坐标电动机振动频谱在此你可以注意到没有充分显示出极通过频率边频带。对数坐标刻度的电动机振动频谱可以清楚看到在1X~4X转频周围的极通过频率边频带。（由此发现了该电机转子存在4根断条问题）交流感应电动机故障检测应注意的问题（八）对数坐标幅值刻度、局部细化的电动机振动频谱可以清楚看到在1X转频周围的极通过频率边频带。（由此发现了该电机转子存在4根断条问题）交流感应电动机故障检测应注意的问题（九）若干关键术语：(a)FL=电源频率(在美国；FL=60赫兹=3600转／分；在中国和欧洲，FL=50赫兹)(b)Ns=120FL／P

式中：Ns=无滑差的同步转速(转／分)P=极的数目(c)Fs=Ns-RPM

式中：Fs=滑差频率(转／分)(d)Fp=(极的数目)*(滑差频率)式中：Fp=极通过频率表示存在许多电气故障问题的一个关键边带频率2Fs对于两极，标称3600转／分电动机4Fs对于四极，标称1800转／分电动机6Fs对于六极，标称1200转／分电动机交流感应电动机故障检测应注意的问题（十）各种极数目的同步转速(转／分)极的数目同步转速（美国）同步转速（中国）23600300041800150061200100089007501072060012600500(e)RBPF－转子条数目*转速式中：RBPF=转子条通过频率(f)气隙－电动机的转子与定子之间的间隙(g)磁中心－转子磁场和定子磁场相平衡及转子被驱动的点BPdM定子故障问题

用振动分析可检测的定子故障问题包括：1．定子偏心(偏心的定子在转子与定子之间产生一个静止的不动气隙)；2．短路的铁芯片(铁芯片层的绝缘问题，它可以引起局部发热)；3．松动的铁芯(定子中任何松动或弱点)；这些故障问题呈现如下特征：1．所有这些定子故障都产生2X电源频率大的振动。然而，它们未必产生极通过频率边带，因为它的振源在定子内，因此它们不被转速频率或者滑差频率调制。在图12.7的细化谱指示了一种严重的电气故障。注意，在7200转／分(2FL)频率处出现0.228英寸／秒(5.7912毫米／秒)高的幅值，而在2X转速频率处的幅值仅为0.0044英寸／秒(0.11176毫米／秒)。在2X电源频率附近没有任何极通过频率边带，这说明是定子故障问题，进一步检查发现证实是定子偏心故障。定子故障问题

图12.7显示定子偏心故障的细化谱(注意，不存在极通过频率边带)定子故障问题

2．对在2X电源频率处振动超过O.050英寸／秒(1.27毫米／秒)的新电动机或返修过的电动机，或者在用的有定子故障的振动峰值达到0.100英寸／秒(2.54毫米／秒)的电动机给予关注。(这个准则一般适用于从50马力到1000马力的电动机)。这个振动幅值标准是针对于7200转／分频率处(2FL)的尖峰幅值。然而，如果电动机直接驱动精密机床的轴，则2FL的幅值必须更小，应该在0.025英寸／秒(0.635毫米／秒)量级或更小。注：1马力相当于745.7瓦3．定子偏心，在转子与定子之间产生一个静止的不均匀的气隙，产生非常定向的振动，与最大气隙差有关。在转子与定子的最小气隙处出现最大电磁力。因此，电磁力本身每转一转从最小到最大产生电源频率两倍(7200转／分)的振动。定子故障问题

4．对于交流感应电动机，气隙差不应该超过5％；对于同步电动机，不超过10％。如果两倍电源频率(2FL)处振动额外增大，则应在定子和转子上分别作一个点标记，检查电动机(如果物理上可以检查的话)。首先，在定子与转子标记点对准的情况下，测量气隙，然后每转动转子45度，测量定子作点标记处的气隙。如果气隙变化超过的5％，则气隙差是由于偏心的转子造成的。下一步是再每转动转子45度，测量转子作点标记处的气隙，如果这个气隙变化超过5％，则说明是偏心的定子。

5．松动的铁芯是由于定子支承刚性局部减弱或者松动造成的。6．短路的定子铁芯片可引起不均匀的，局部发热，它实际上使定子畸变，引起定子偏心故障。这就产生热弯曲，热弯曲可随着运转时间延长明显增大，有时会引起定子与转子相接触，这是灾难性的。转子故障

振动分析可检测的转子的故障包括：1．断的或裂的转子条或短路环；2．转子条与短路环之间坏的高阻接头；3．短路的转子铁芯片；4．松动的或脱开的，与端环未良好接触的转子条；

5.转子偏心。偏心的转子

在偏心的转子情况中，转子本身与其中心线不同心(见图12.4)。因此，偏心的转子在转子与定子之间产生不均匀的气隙，这个不均匀的气隙与转子一起旋转(与偏心的定子情况中静止的气隙正相反)。由于短路的铁芯片导致局部发热，引起转子弯曲、变形、失园、转子偏心。图12.4转子偏心呈现如下特征（一）

1．偏心的转子往往在电源频率两倍(2FL)处产生大的振动，并且伴有极通过频率(Fp=极数B×滑差频率)的边带。即，对于两极，3600转／分电动机，边带将是两倍滑差频率，对于四极电动机，边带将是4X滑差频率。图12.9细化谱可以很清楚地指示出偏心转子故障的极通过频率边带。图12.9指示偏心的转子故障的细化谱

转子偏心呈现如下特征（二）

2．对于如下情况的电动机应予以关注，即对于新的或修理过的电动机，在两倍电源频率处的振动值超过0.050英寸/秒(1.27毫米/秒)，或者对在用的通用型电动机，在两倍电源频率处振动值超过0.100英寸／秒(2.54毫米／秒)。3．为了在整个圆周上，转子与定子之间的气隙都在公差范围内，可能需要调整轴承座本身或者机加工转子轴颈。

4．在预测维修程序中，发现在两倍电源频率(2FL)两侧存在极通过频率边带时，这说明转子存在偏心问题，在以后的定期监测中，应该仔细进行趋势分析。

5．注意，有偏心的转子的电动机，当温度升高时，往往会经历越来越大的振动。转子断条故障呈现的特征（一）

1.对于转子断条或端环断裂的研究，关键区域是在1X转速频率两侧存在极通过频率边带。图12.10到12.13表示有严重的转子故障的两极电动机的典型频谱。最初，3000转／分宽带谱没有给出严重故障的暗示，似乎表示机械松动。因为特征是存在若干转速频率的谐波频率。然而，仔细研究后，图12.11到12.13揭示在1X，2X和3X转速频率的两侧分别存在一系列很清楚的极通过频率的边带。这些细化谱都指出，这是转子断条、端环故障或者短路的转子铁芯片故障。图12.10英格索兰公司CENTAC电动机的3000转／分频谱图(2H点)

图12.111X转速频率附近细化后显示出多个极通过频率边带(指示转子断条或端环故障)转子断条故障呈现的特征（二）图12.12为2X转速频率附近细化谱(这里还有极通过频率边带)图12.13为3X转速频率附近的细化谱(注意，这里还有极通过频率边带)转子断条故障呈现的特征（三）

2.如同图12.11到12.13细化谱所示，除了在1X转速频率两侧存在极通过频率边带之外，对存在转子断条或高阻接头的转子，可能在转速频率的高次谐波频率，可包括第二，第三，第四和第五阶转速频率谐波频率的两侧产生极通过频率的边带。这种情况下，往往发现断裂一个以上的转子笼条，因为每转一转存在一个以上脉冲。图12.14表示在1X，2X，3X，和4X转速频率两侧有多个极通过频率边带的频谱。这种情况下，工作转速为约1176转／分(意味着滑差频率=FS=24转／分)。在lX转速频率到5X转速频率两侧有多个Fp边带。经检查发现了这台电动机断裂了四根转子条。图12.14清楚地表示在1X转速频率到4X转速频率两侧极通过频率边带的对数幅值细化谱(在电动机上发现4根断裂的转子条)转子条松动故障呈现的特征（四）3．对松动的转子条的研究关键频率区域是在转子条通过频率(RBPF)(RBPF=转子条数目X转速)处及其谐波频率处的振动。4．有转子条松动问题存在时，在转子条通过频率(RBPF)或较高谐波频率(2RBPF或3RBPF)处振动幅值通常会超过约0.06英寸／秒(1.524毫米／秒)，此外，在转子条通过频率(RPBF)及其谐波频率两侧的边带间隔将是精确的两倍电源频率(2FL)。转子条通过频率(RBPF)本身的幅值可能是可接受的，但是，如果把频率范围扩展到包括2XRBPF，则可能发现幅值是转子条通过频率(RBPF)基频处幅值的10倍或更高。例如，图12.5a证实至少有两条以上转子条松动的一台电动机的频谱。这台电动机有57根转子条，转速为1793转／分，RBPF的基频约为102200转／分。图12.5a宽带谱表明，在RBPF处的幅值仅约0.008英寸／秒(0.2032毫米／秒)。然而，在2XRBPF以外的情况完全不同。图12.5b细化谱表明，在204380转/分(2XRBPF)频率处有过大的0.340英寸／秒(8.636毫米／秒)振动(超过RBPF处幅值的28倍)。如果最高频率只能采集RPBF基频，则故障可能完全丢失掉。这里，关键的指示，是在2XRBPF频率(转子条通过频率的两倍)处的过大的振动幅值，并且还伴随着精确的7200转／分(2FL)边带。转子条松动故障呈现的特征（五）图12.5a以2XRBPF检测到的严重的转子笼条问题但1XRBPF幅值几乎看不出来

图12.5b以2XRBPF检测到的严重的转子笼条问题并伴随着精确的7200转／分(2FL)边带转子断条故障呈现的特征（六）5．在交流电动机的振动监测过程中，对每台电动机规定两个特殊的测量参数组用于检测电动机的故障。

a．电动机低频监测：Fmax=12000转／分；3200条谱线；2次平均。用于分离2FL和电动机转速谐波频率振动成分。

b．电动机的高频监测：Fmax=360000转／分；1600条谱线；8次平均。(对于两极以上的电动机，Fmax=240000转／分，足以拾取1XRBPF和2XRBPF(转子条通过频率RBPF))。经验表明，这些测量最好在水平方向上进行。除了对每台电动机标准的状态监测路径之外，还要测量这两组(低频和高频)频谱。转子不均匀的局部受热引起的轴弯曲

图12.6表示可导致热弯曲的局部受热的转子。如果邻近的若干转子的铁芯片一起短路，转子会发生严重的不均匀局部受热。短路的铁芯片中明显的大电流涡流和磁滞损失会产生这种热量。同样，断裂的转子条可产生导致转子这种局部受热的大的热量。这种局部受热实际可使转子弯曲，转子弯曲甚至可与定子相接触。热弯曲的故障之一是它可趋向于"以自己为能源"。即，一旦开始，轴开始微弯。轴弯曲时，生成越来越大的电磁力和不平衡力，这些力生成更多的热量。然后，这些热量使转子更弯曲，转子再发出更多的热量，这样恶性循环。因此，这种故障可能是灾难性的。图12.6由于转子条断裂或转子铁芯片短路在转子上造成热点的发展

转子不均匀的局部受热引起的轴弯曲的特征

如下特征指示热弯曲：1．转子中出现热弯曲时，第一次启动后，1X转速频率的振动幅值将随着时间延长，不断增大，因为热弯曲本身在增大。它的频谱类似于不平衡的频谱。然而，简单的动平衡是没有效果的。2．热弯曲增大时，振动频谱有时指示转子偏心，7200转／分频率振动大，并伴有滑差频率边带(假定电源频率为6O赫兹(FL))。3．热弯曲故障变得明显时，内侧轴承与外侧轴承之间轴向方向的相位将接近180度相位差。换言之，它类似于弯曲的轴的特性。电机磁力中心不正

当电机转子的安装位置偏离电机定子的磁力中心时产生磁力中心不正的问题，当在电机定子或转子间的存在不均匀气隙时产生径向方向的磁力中心不正，磁力中心不正问题通常不会产生很大的振幅，由于在振动测量时没有采用足够的分辨率来识别这个问题，所以磁力中心不正问题通常没有注意到。例如如图4-20所示。这个数据是从一台3600rpm电机上测得的，从这幅图中会错误地诊断为，松动，不对中，甚至是轴弯曲的问题，这主是精确的诊断需要提高的频率分辨率。

电机磁力中心不正

图4-21是一个以60Hz为中心频率，20Hz的窗口，由这个图中可以看出这台电机存在磁力中心不正的问题。在此图中含有60Hz的供电电源频率成分和电机的转频率59.5Hz，在电机转频两侧存在一个滑差频率0.5Hz×极数2＝1Hz的边频带，这些边带是58.5,60.5和61.5Hz。请注意，在电源频率60Hz两侧并没有边频带存在。电机磁力中心不正

图4-22是以两倍电源频率120Hz为中心，20Hz的窗口，从此图中可识别出电机2×转频119Hz，这不是问题，占主导地位的是两倍电源频率的120Hz。在1800和3600Rpm电机中，由于磁力中心的不正，会出现拍振现象。较低转速的电机（低于1200rpm）一般不会因为磁力中心不正问题，而引起拍振问题。电机转子断条

这个问题类似于电机磁力中心不正问题，但有也有显著的区别。相似之处是，电机的转频也被极通过频率调制了。电机转子断条，有时称铁芯开路，会在电机转子上形成死点，由此导致的电气不平衡，会产生1×和2×电机转频较大的振动，由于这个问题不于电源频率有相互作用，所以不会有60Hz的谱线存在。再次需要注意是，对这种振动问题精确诊断和测量必须有足够高的频率分辨率。图4-23是一台具有一至两根断条的电机数据。

选取的频率范围为1000Hz，此时的诊断认为是松动和轴弯曲故障。电机转子断条