杨瑞
摘要：本文讨论了交流感应异步电机的振动故障机理及特征，详细介绍了电机的振动分析、电流分析、磁通分析、轴电压电流分析等国际先进的诊断技术。
关键词：电机；故障；诊断
交流感应异步电机振动故障诊断是通过对电机轴承振动、定子线圈电流、定子轴向磁通、转子轴电压及电流等数据的收集，应用对这些数据的分析技术，掌握电机的状态，为检修决策提供可靠依据。
一、感应电机的振动故障诊断
1．振动故障诊断技术
电机轴承处的振动信息可以判定电机的定子或转子偏心、定子或转子的铁芯短路及松动、转子条或端环缺陷、转子热弯曲、电源接头松动或断开等故障。
(1)定子。
电机定子故障包括定子偏心、定子铁芯短路或松动。这些故障均产生2fL(fL为电源频率）下的大振动，若切断电机电源，2fL频率下的振动立即消失。
(2)转子偏心。
偏心的转子可在转子与定子间产生可变气隙，从而引起脉冲振动（通常振动在2fL与转速的谐波频率之间），常需用细化谱分离出2fL与转速的谐波频率。偏心的转子产生毓及其两侧的fL（极通过频率边带）。极通过频率本身也出现在低频处。办常见值的范围在20120r/min(0.32Hz）内，软地脚或不对中故障造成的壳体变形常会引起气隙变化。
(3)转子。
断裂的转子条或短路环，转子条与短路环间接触不良，或者短路的转子铁芯均产生1X转速频率的大振动及其两侧极通过频率边带。此外，还可产生二、三、四、五倍转速谐波频率两侧的极通过频率边带。转子条通过频率（即RBPF，等于转子条数×转子转动频率）及其谐波频率两侧的2fL边带说明转子条存在松动或脱开情况。转子条松动和端环间的电弧常显示出很高幅值的2RBPF且伴随2fL边带，但是1RBPF频率的振动幅值不增大。
(4)电气相位故障诊断。
由于松动或断裂接头的相位问题可产生2fL频率下的较大振动，且两侧伴有1/3fL的边带。2fL处的振动幅值随时间延续将变得更大。偶尔接触的故障接头问题尤为严重，必须及时处理。
(5)转子热弯曲故障诊断。
电机转子的热弯曲主要由电机断裂转子条、短路的铁芯等故障引起，它们在局部产生大量的热，导致转子弯曲变形，严重者可使转子与定子碰摩。转子弯曲将会产生很大的电磁力和不平衡力，生成更多的热量，使转子弯曲更为严重。
转子热弯曲时，1X转速频率的振动幅值随时间延长而增大，振幅值受定子电流的影响，振动特征类似于转子不平衡。热弯曲故障明显时，同一转子的两侧轴承轴向1X相位差以及同侧轴承轴向的上与下、左与右的相位差均为180°。
2．感应电机电气故障诊断
通过对电机定子电流频谱、磁通频谱、轴电压与电流分析可以诊断定子或转子故障。
(1)电流故障诊断
①转子条。当转子回路出现故障时，在定子电流频谱图上，电源频率两侧将出现一个边频带(fp),转速的波动使电流以电源频率为中心，在±f上、下限之间变化。由于电机定子中三次谐波磁通的调制作用，使得转速和2005电流波动更加明显。由基频与边频电流幅值的比值可以推断断裂的转子条数目。
转子条故障的严重程度与检修策略可参考夏洛特联合技术公司的“电动机电流分析严重程度和推荐的修正措施表”。
②气隙偏心。气隙偏心往往会造成振动值超限、定子与转子碰擦等故障。气隙偏心分为静态偏心和动态偏心两种。静态偏心是由定子铁芯的椭圆度或装配不正确造成的；动态偏心是由转轴弯曲、轴颈椭圆、临界转速时的机械共振及轴承磨损等造成。
气隙偏心在定子电流中以谐波形式反映出来，因此其特征频谱成分可以通过检测电流频谱获得。
气隙偏心特征频率可依照下列公式计算
式中：n2为任意整数，静偏心时，n2=0；动偏心时，n2=1、2、3......。n1为任一整数；s为转差率，s=1(n"P)(60"f1)，n为电机转速（r/min），P为电机磁极对数；n3为奇整数，取1、3、5…。
根据特征频率分量大小和变化情况，就可以确定转子在气隙中的动态位移值。
(2)磁通故障诊断
电机电气参数的改变将导致转子或定子线圈磁场的不对称，并反映在轴向电磁频谱中。转子条的状态可通过分析电源频率两侧的极通过频率边带得到。从磁通频谱的低频可发现电源电压不平衡、匝间短路等故障。电源电压不平衡分析是对比其特征频率的变化情况；匝间短路是通过对比电源频率两侧转速频率边带的振幅变化确定的。磁通频谱的高频分析可以发现转子条或定子槽问题，具体而言是分析其通过频率的边带族变化情况。
(3)轴电压及电流故障诊断
转轴两端对地的电位差为轴电压，轴电压较高往往与电机设计、制造缺陷，各种故障及非正常的电源条件有关。因此，对轴电压的检测和分析能发现电机存在的缺陷，并可监视电机铁芯和绕组的劣化过程，避免轴电压击穿轴承油膜，在电机轴颈和轴瓦表面电弧放电而产生蚀点，破坏轴颈和轴瓦的配合。
二、实例分析
1．电机转子条断裂和端环裂纹故障诊断
某立式凝结泵是将凝汽器集水井内凝结水输送至回热系统的关键设备，其500kW鼠笼式电机的顶部轴承处最大振幅为170μm，额定负荷时线圈温度高达115℃，比同负荷下的其它电机线圈温升高许多。
(1)电流分析。
图1中，电机转速n=1493r/min，磁极数为4，极通过频率为0.466Hz，位于电源线频率两侧的边频分别为49.50Hz和50.40Hz。依据夏洛特联合技术公司的“电机电流分析严重程度和推荐的修正措施表”，fL/fP=3.11＜＜32，可以判断该电机端环存在裂纹或转子条断裂情况。
图1电流频谱图
图2磁通频谱图
图3电机驱动端轴承水平2X处的振动细化频谱图
(2)磁通频谱分析
图2中，电源频率两边出现了电机的极通过频率，基点磁通值为110dB，fL/fP=2.2＜＜32，因此可以判断转子条或端环存在裂纹或断裂等严重故障。
(3)振动频谱分析。图3中，2X两边出现多族极通过频率边带，1X、3X5X频率两侧也出现了极通过频率边带，因此可以判断电机转子条或端环存在裂纹或断裂等严重故障。
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ISO/TC108/SC5WG7N3.