三相异步电动机振动故障分析
在过去的几年中，已有效地研究开发了电动机电流分析技术，现在这种技术已成为评定感应电动机状态的振动分析的强有力的支持技术。现在，当人们在对关键电动机是否能继续运转作决定时，除了振动分析外有了另一种工具，它不仅可证实存在故障问题，还可评定这些故障问题的严重程度。此外，振动分析和电动机电流分析技术组合起来还可指出故障的原因及为了解决故障问题需采取哪些修正措施。三相异步电动机的结构及工作原理
1、结构
三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图1所示。
图1 封闭式三相笼型异步电动机结构图1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心；7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇
2、三相异步电动机的工作原理
（1）三相交流电机的旋转磁场
三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。下面来讨论旋转磁场的产生。
U1U2，V1V2，W1W2 为三相定子绕组，在空间彼此相隔120°，接成Y 形。三相绕组的首端U1，V1，W1 接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组。设电源的相序为U，V，W， 的初相角为零，如图2波形图所示。
图2三相交流电流波形图
设iU=sinωt，iV=sin(ωt-120，iW=sin(ωt+120) 为了分析方便，假设电流为正值时，在绕组中从始端流向末端，电流为负值时，在绕组中从末端流向首端。
当ωt=0的瞬间，iU=0，iV 为负值，iW 为正值，根据“右手螺旋定则”，三相电流所产生的磁场叠加的结果，便形成一个合成磁场，如图3(a)所示，可见此时的合成磁场是一对磁极（即二极），右边是N极，左边是S极。
图3 两极旋转磁场示意图
空间120°对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时，产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场，每电源周期旋转一周，即两个极距；某相绕组中电流达到最大值时，磁极轴线恰好旋转到该相绕组轴线上。
当ωt=0时，即经过1/4周期后，iU 由零变成正的最大值，iV 仍为负值，iW 已变成负值，如图3(b)，这时合成磁场的方位与ωt=0时相比，已按逆时针方向转过了90°。
应用同样的方法，可以得出如下结论：当ωt=180时，合成磁场就转过了180°，如图3(c)所示；当ωt=300时合成磁场方向旋转了300°，如图3(d)所示；当ωt=360时合成磁场旋转了360°，即转1周，如图3(a)所示。
由此可见，对称三相电流iU，iV，iW 分别通入对称三相绕组U1U2，V1V2，W1W2中所形成的合成磁场，是一个随时间变化的旋转磁场。
以上分析的是电动机产生一对磁极时的情况，当定子绕组连接形成的是两对磁极时，运用相同的方法可以分析出此时电流变化一个周期，磁场只转动了半圈，即转速减慢了一半。
由此类推，当旋转磁场具有p 对极时（即磁极数为2p），交流电每变化一个周期，其旋转磁场就在空间转动1/p 转。因此，三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速n1、定子电流频率f及磁极对数p 之间的关系是
（2）三相电动机的转动原理
三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速n1=60f/p。旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极N下为南极S，如图3所示。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用⊙表示；在下半部则由外向里，用⊕表示。图4为三相异步电动机转动原理示意图。
图4 三相电动机的转动原理
原理：定子旋转磁场以速度n1切割转子导体感生电动势（发电机右手定则），在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n 顺n1 方向旋转（电动机左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。特点：电动机内必须有一个以n1 旋转的磁场，电动运行时n 恒不等于n1（异步）必要条件n<n1， 建立转矩的电流由感应产生。
（3） 转差率
旋转磁场转速n1与转子转速n 之差与同步转速n1 之比称为异步电动机的转差率s，即
转差率是异步电动机的一个基本参数，对分析和计算异步电动机的运行状态及其机械特性有着重要的意义。转差率的变化范围总在0和1之间，即0＜s＜1。一般情况下，额定运行时=1%～5%。
（4）电机故障诊断关键术语
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）
式中，Ns 为无转差的同步转速（转/分）；P 为极的数目。
式中，Fs为转差频率（转/分）
式中，Fp 为极通过频率，表示存在许多电器故障问题的一个关键边带频率。
· 2Fs对于两极，标称3000转/分电动机；
· 4Fs对于四极，标称1500转/分电动机；
· 6Fs对于六极，标称1000转/分电动机。
式中，RBPF 为转子条通过频率；气隙为电动机的转子与定子之间的间隙；磁中心为转子磁场和定子磁场相平衡及转子被驱动的点。
三相异步电机振动故障分析
电机作为旋转机械中的一类，和其它旋转类设备一样，可能产生不平衡、不对中、机械松动、轴承故障及共振等问题，这类故障称之为机械类故障。
电动机作为电气类设备，又有其特殊的结构和工作原理，自身的电气缺陷会在电机工作运行中引起振动等故障，称电机的这类故障为电气故障。
电机常见的电气缺陷包括转子断条或裂纹、转子和定子之间空气间隙不均匀、定子铁心松动、转子的不均匀的局部受热造成的转子热弯曲、由于松动的或断开的接头造成的电气相位问题等。
1、识别电气故障的基本方法
经验表明，在用电动机电流分析或振动分析评定电动机故障时，纯的机械故障可能使电动机"呈现"为有明显的电气故障问题（例如，严重不对中的轴可在振动分析的电动机电流分析中，产生转子与定子之间变化的气隙的效果）。因此，这些试验指出存在电气故障问题时，在把电动机送出去之前，总应该首先进行详细的振动分析，确定故障类型。
如果怀疑电气故障问题，首先，应该在电动机满负荷下进行评定电气状态的诊断试验，这一点很重要。尤其是由于按照有关参考文献，我们知道电磁力本身随定子电流的平方变化而变化的。证明有电气故障问题的电动机，往往在“单独”运转（与被驱的机器不连接），或者诸如空气压缩机的机器处于空载运转时，不产生表示故障症兆的振动特征信号。机器承载时，便出现明确的症兆，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关系那么密切有关。
其次，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。
2、测点选择及传感器安装
诊断时，振动传感器应尽可能径向安装在电机的外壳上，而不是像诊断机械故障时那样安装在轴承座上。
图5 电机故障测点选择
电机故障诊断电流分析，需用钳型电流表提取定子三相电流的信号。
3、电机故障诊断
（1）振动信号采集需注意的问题
图6表示为定子故障的典型频谱。需要指出的是要将2X电源频率与电动机转速频率的谐波频率分离开来，所用数据采集器必须有足够高的频率分辩力。
图6定子故障频谱
（2）定子故障
用振动分析可检测的定子故障问题包括：
· 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）；
· 短路的铁芯片（铁芯片层的绝缘问题，它可以引起局部发热）；
· 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电源频率的大振动。然而，它们未必产生极通过频率边带，因为它的源在定子内，因此它们不被转速频率或者转差频率调制。在图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 in/s(5.7912mm/s)高的幅值，而在2X转速频率处的幅值仅为0.0044in/s(0.11176mm/s)。还请注意，在2X电源频率附近没有任何极通过频率边带，这指示是定子故障。检查后，发现确实是定子偏心故障。
图7 定子故障频谱
② 原则上，在振动频谱图上在2倍电源频率处，对于新电机或刚维修后的电机，振动峰值不应超过 1.27mm/s；对于在用的电机，振动峰值不应超过2.54mm/s，如超过需对电动机进行振动分析。驱动精密机床的电机标准更严，在2FL的幅值应该在0.635mm/s以下。
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的振动。
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）。然后，在定子与转子的作点标记对准的情况下，测量气隙，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。
（3）转子偏心
在偏心的转子情况中，转子本身与其中心线不同心，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）。短路的铁芯片导致局部发热，引起转子弯曲或者简单的径向跳动的转子可以引起偏心的转子。
图8 转子偏心示意图
转子偏心的振动特征：
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=B极数×差频率）的边带。即，对于两极，3600转/分电动机，边带将是两倍转差频率，对于四极电动机，边带将是4X转差频率。图9表示在7200转/分频率处0.186in/s(4.2164mm/s) 振动，以及很清楚地指示偏心的转子故障的极通过频率边带。
图9 转子偏心故障频谱
② 对于如下情况的电动机应给予研究分析，即对于新的或修理过的电动机，两倍电源频率振动超过1.27mm/s，或者在用的通用型电动机两倍电源频率处振动超过2.54mm/s。如果用于精密机床心轴，则两倍电源频率 (2FL) 处允许振动仅为0.635mm/s。
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，偏心的转子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，在两倍电源频率 (2FL) 两侧极通过频率边带说明偏心的转子时，在以后的定期监测中，应该仔细进行趋势分析。例如，当两倍电源频率 (2FL) 振动超过约0.100in/s（2.54mm/s）时，则应该在以后的监测中仔细进行趋势分析，如果两倍电源频率 (2FL) 振动幅值明显增大，并且边带幅值也明显增大，尤其是在两倍电源频率 (2FL) 频率的左侧和右侧出现更多边带时，则应给予更密切的注意。另一方面，如果在两倍电源频率 (2FL) 频率及其边带的振动幅值在若干次监测中保持稳定，则该电动机可能不会进一步损坏，即使在两倍电源频率 (2FL) 频率处振动幅值高达4.445mm/s。这些情况下，继续作趋势分析是满意的。然而，电动机本身的寿命可能会缩短。
⑤ 注意，有偏心的转子的电动机，当温度升高时，往往会经历愈来愈大的振动。例如，当这样的电动机第一次启动时，振动可能仅为2.54mm/s。然后，运转10分钟后，振动可能增加到例如3.556mm/s。20分钟后，振动可能继续增大到约4.572mm/s或更大。这可能是转子上一侧相对于另一侧不均匀的发热引起的。如果不修正，转子弯曲足以使之与定子相摩擦，从而可能导致灾难性破坏。
（4）转子故障
振动分析可检测的转子的故障包括：
· 断的或裂的转子条或短路环；
· 转子条与短路环之间坏的高阻接头；
· 短路的转子铁芯片；
· 松动的或脱开的，与端环未良好接触的转子条。
以上这些转子故障呈现如下特征：
① 对于断、或裂的转子条的研究的关键区域是在1X转速频率两侧存在极通过频率边带（在两极电动机中，这些边带将是2X转差频率，而在四极电动机中，这些边带将是4X转差频率）。图10表示有严重的转子故障的两极电动机的典型频谱。图10(a)30000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10(b～d)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，这是断、或裂的转子条，短路环故障或者短路的转子铁芯片故障。
图10 转子故障谱图(a) 低分辨率，高分析频宽谱图；(b) 1倍频局部细化放大谱图；(c) 1倍频局部细化放大谱图；(d) 1倍频局部细化放大谱图
② 研究松动或脱开的转子条的关键频率区域是，在转子条通过频率RBPF（RBPF=转子条数目×转速）及其谐波频率等较高频率处的振动。这里，振动幅值在转子条通过频率 (RBPF) 或较高谐波频率 (2RBPF或3RBPF) 处超过约1.524mm/s，应予以研究分析。此外，在转子条通过频率 (RBPF) 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。
（5）转子局部受热引起轴弯曲
图11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涡流和滞后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，生成愈来愈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11 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
如下特征指示热弯曲：
· 转子中出现热弯曲时，将可发现，第一次启动机器后，1X转速频率的振动幅值将随着时间延长，继续增大，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。
· 热弯曲增大时，振动频谱有时指示转子偏心，6000转/分频率振动大，并伴有转差频率边带（假定电源频率为50赫兹 (FL)）。
· 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。
来源：百度文库，节选自《电动机故障分析》由lifei124上传于2012年8月29日。
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