电动机状态监测、故障诊断分析

王 ,敏

大唐保定热电厂设备管理部

摘要：本文介绍了电动机电气故障、机械故障、绝缘故障特征、监测诊断分析方法以及采取的防范措施。同时利用这些特征里对电机的故障进行监测和诊断。

关键词 ：电动机、轴承、定子绕组、转子笼条。

电动机是能原和机械能相互转换的工具，在生产、生活和科学研究中有着十分重要的地位，随着科学的发展，电机在高铁、磁悬浮列车、飞机电磁弹射装置等新设施上的应用越来越广泛，这些应用在提供舒适、快捷服务和有力保障的同时，如何确保电机安全可靠地运行，成为人们关注的重要问题。由于电机的工作环境相对恶劣，电机出现故障难以完全避免，一旦发生不可预知的故障将可能造成巨大的经济损失，甚至危及人身和造成不良社会影响。而电机的初期故障，往往会通过如机器振动和电流信号变化等不同形式反映出一定的特征变化，利用这些特征来对电机的故障进行检测和诊断就具有十分重要意义。

   电机故障主要分为电气类故障、机器类故障、绝缘系统类故障等几种类型，按故障部位又可分为定子故障、转子故障、气隙偏心故障和轴承故障等。故障诊断技术涉及系统论、控制论、信息论、监测与估计理论、计算机科学等方面的知识，它主要研究故障机理故障信息处理、故障源分离与定位等。不同类型的故障诊断方法，在工业上已经被同时应用于精细监测已达到更好的效果。电动机故障诊断的目的，是期望能够对于即将来临的失效提出预警，对于未来的预防性定期检修提供诊断计划。

   （一）轴承故障

   （1）轴承故障占所有电动机故障地40%以上。在工业设施中大多数轴承在非理想的条件下，常受到疲劳、环境机械振动、过载、轴中心错位、污染、电流开槽、腐蚀、不正确的润滑等的影响。这些非理想的条件开始只是导致边缘缺陷，然后这些缺陷会在轴承内圈、外圈和滚珠组件中传播和扩散增大。过了一段时间，缺陷变得显著，便产生了机器振动并且引起听觉噪声。轴承故障基本上可分为外圈故障、内圈故障、滚珠缺陷、保持架缺陷，这些都是机器振动的主要原因。这些由于轴承故障在气隙中引起的机器振动可以认为是轻微的转子偏移，这又导致转子瞬时偏心。

机械振动分析、远红外或热分析和声学分析时常用的预防维护方法，用来检测轴承健康水平，从而防止电动机故障。

振动和温度监测需要在机器上安装额外的传感器或变送器。虽然大型电动机可能已经附带配有振动和温度变送器，但是在小型电动机上电动机上附配相同的变送器就是不经济的或在技术上是不可行的。

（2）轴承故障可分为外圈缺陷、内圈缺陷、滚珠缺陷、保持架缺陷。每个故障有特定的机器振动频率成分，而这些成分。而这些又对应了每个缺陷的特征类型，它是一个与轴承几何结构和转动速度两个因素都相关的函数。由于轴承故障引起的机器振动和偏心故障类似，改变了气隙的对称性和电机电感。电动机电感的变化量反应到线电流的谐波电流成分上，而谐波电流就指向对了与气隙中的机器振荡相关的轴承故障。对轴承减振降噪的措施。1、提高深沟球轴承的套圈沟道圆度、波纹度、粗糙度和沟形偏差等方面的精度。如：对中小型深沟球轴承，控制其圆度在0.5μm以下，控制其棱数15个以上；控制其波纹度0.3μm以下，控制其粗糙度Ra在0.1μm以下。2、采用高精度钢球；要求其具有更好的波纹度、粗糙度和球形偏差等且表面要经过强化处理。3、更换保持架，如：塑料保持架的轴承相对振动噪声较低，使用寿命长。目前应用在汽车发电机、空调器风扇电机、录象机驱动主轴、计算机HDD和汽车轮毂等领域的低噪声深沟球轴承中，内径d≤10mm的约70％采用塑料保持架，内径d＞10mm的约占20％采用塑料保持架。4、优化保持架结构，采用兜孔设计，并使确保其真圆、兜孔间隙小、板宽尺寸大。5、密封圈或防尘盖的外径尺寸与形状需要严格控制，确保外圈不会发生变形。6、严格控制轴承的内外径、内外沟径、钢球规值和轴承游隙等尺寸公差离散度，。7、确保轴承各个工作表面无磕碰伤、划伤、锈蚀和毛刺等损伤和缺陷。8、采用不同的沟曲率半径制造内外套圈。9、减少轴承的径向游隙。10、对轴承施加预载荷。11、加大轴承套圈壁厚。12、通过改变滚动体数目，改变轴承固有频率，避免共振现象的产生。13、提高轴承的清洁度。14、采用低振动低噪声润滑脂。

（3）电机的转速以及通过润滑油膜的轴电流呈现一定固有的频率，随着持续旋转，经过一段时间后，滚道上的微小电蚀凹坑会呈现一定的聚集，再加上滚动体经过电蚀凹坑形成的机械共振，就会形成我们常说的“搓衣板”纹。并且随着时间的推移逐渐变得清晰，电机振动加大并有异常杂音。

（二）定子绕组绝缘故障

（1）定子绕组绝缘故障占所有电机故障的30%--40%。定子故障可以大致分为叠片或框架故障（铁心缺陷、环流或接地等）和定子绕组故障。绕组绝缘材料的主要功能通常是用来抵消电气应力；然而在许多情况下，它还必须忍受其他的应力，如机器和环境的应力。电动机的转矩是线圈导体中的电流和其周围的磁场共同产生的力作用的结果，这表明绕组绝缘必须具有能够承受机器应力的电气性能与力学性能。此外，两倍于电源频率的电磁振动、由于负载变化导致的温度变化而引起的不均匀膨胀力，以及由于电气和机器不对称造成的冲击力，影响到电机绝缘老化过程。

电动机中不均匀的温度分布也由于膨胀而导致机器损伤。制造过程本身也可能包含有破坏性的或起老化作用的的行为。当电气绝缘绕组受到一定的损伤并且被安装到电动机里，电气绕组绝缘必须足够坚固，从而能够经受机器上的不正确使用的考验。温度升高会导致许多影响：材料在高温下本身就会变脆，并且可能仅仅是因为材料融化而导致故障。

热应力可能导致绕组绝缘降低和最终失效的最公认的原因。电动机内热应力的主要来源是铜损、涡流、在铜导体上的杂散负荷损失，加上由于铁芯损耗导致的附加加热、通风的影响等等，高温的影响化学反应能使绕组绝缘材料变脆。另一问题是，由于突然的温度升高，铜线和铜条膨胀的速度比绕组绝缘材料膨胀速度快，从而产生对地绝缘的应力。

（三）转子断条故障

（1）该故障占所有的工业电动机故障的比例超过了5%。笼型转子主要有两种类型：浇铸的和装配的。所有电动机的笼型导条和端环都是由铝或铜的合金，或是由纯铜制造而成的。铜和铜合金制造的转子通常设计成装配式的。而铝制转子大多是压铸结构的，其导条和端环是在一个机械操作步骤中被铸造出来的。教主转子虽然比装配型转子更粗糙坚固，但是一旦转子有逐渐显现的裂纹或转子断条，就几乎不可被修复。

（2）转子导条和端环裂纹破损有许多原因，可能是由于热的、磁的、动力学的、环境的、机械的和残余应力等方面的原因，正常情况下应力保持在容限的带宽范围内，电机能够正常运转多年。一个初始的转子断条状态将以时间指数规律恶化，同时其临近的导条将要代替断条而集中承担了过大的电流，这一提供了一个向邻近区域传播故障的电应力。当所有这些压力都高于允许的水平时，就缩短了电动机寿命。转子断条可以被认为转子不对称，从而导致不对称的线电流、转矩脉动，以及平均转矩的降低。感应电机转子中电场和磁场的不对称。现场反应现象为，电机转矩降低，启动困难，启动时间延长，电机转子笼条或端环有打火现象，控制盘指针电流表有规律摆动，电机本体振动比正常是偏大等现象。

通过以上知道大多数的不正常故障现象有特定的与电动机故障状态和严重程度有关的样式。通过检测和分析预测的故障现象和它们的特殊样式，得出电机故障诊断建议。然后可以在系统进入灾难性故障模式之前将其安全地替换。

参考文献

[1]   周卫平著   电机建模、状体监测与故障诊断  机械工业出版社，2014

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