交流感應電機的振動故障診斷

交流感應電機的振動故障診斷

交流感應異步電機廣泛應用于電風扇、電冰箱、洗衣機、空調器、電吹風、吸塵器、油煙機、洗碗機、電動縫紉機、食品加工機等家用電器及各種電動工具、小型機電設備中。負載時的轉速與所接電網的頻率之比不是恒定關系。還隨著負載的大小發生變化。負載轉矩越大，轉子的轉速越低。如何根據交流感應異步電機的振動故障機理及特征，對電機進行振動分析、電流分析、磁通分析、軸電壓電流分析等診斷分析故障排除呢，本文將這一課題進行探討。

感應電機的振動故障診斷

1．振動故障診斷技術

電機軸承處的振動信息可以判定電機的定子或轉子偏心、定子或轉子的鐵芯短路及松動、轉子條或端環缺陷、轉子熱彎曲、電源接頭松動或斷開等故障。

(1)定子。
電機定子故障包括定子偏心、定子鐵芯短路或松動。這些故障均產生2fL(fL為電源頻率）下的大振動，若切斷電機電源，2fL頻率下的振動立即消失。

(2)轉子偏心。
偏心的轉子可在轉子與定子間產生可變氣隙，從而引起脈沖振動（通常振動在2fL與轉速的諧波頻率之間），常需用細化譜分離出2fL與轉速的諧波頻率。偏心的轉子產生毓及其兩側的fL（極通過頻率邊帶）。極通過頻率本身也出現在低頻處。辦常見值的范圍在20120r/min (0.32Hz）內，軟地腳或不對中故障造成的殼體變形常會引起氣隙變化。

(3)轉子。
斷裂的轉子條或短路環，轉子條與短路環間接觸不良，或者短路的轉子鐵芯均產生1X轉速頻率的大振動及其兩側極通過頻率邊帶。此外，還可產生二、三、四、五倍轉速諧波頻率兩側的極通過頻率邊帶。轉子條通過頻率（即RBPF，等于轉子條數×轉子轉動頻率）及其諧波頻率兩側的2fL邊帶說明轉子條存在松動或脫開情況。轉子條松動和端環間的電弧常顯示出很高幅值的2RBPF且伴隨2fL邊帶，但是1RBPF頻率的振動幅值不增大。

(4)電氣相位故障診斷。
由于松動或斷裂接頭的相位問題可產生2fL頻率下的較大振動，且兩側伴有1/3fL的邊帶。2fL處的振動幅值隨時間延續將變得更大。偶爾接觸的故障接頭問題尤為嚴重，必須及時處理。

(5)轉子熱彎曲故障診斷。
電機轉子的熱彎曲主要由電機斷裂轉子條、短路的鐵芯等故障引起，它們在局部產生大量的熱，導致轉子彎曲變形，嚴重者可使轉子與定子碰摩。轉子彎曲將會產生很大的電磁力和不平衡力，生成更多的熱量，使轉子彎曲更為嚴重。 轉子熱彎曲時，1X轉速頻率的振動幅值隨時間延長而增大，振幅值受定子電流的影響，振動特征類似于轉子不平衡。熱彎曲故障明顯時，同一轉子的兩側軸承軸向1X相位差以及同側軸承軸向的上與下、左與右的相位差均為180°。

2．感應電機電氣故障診斷

通過對電機定子電流頻譜、磁通頻譜、軸電壓與電流分析可以診斷定子或轉子故障。

(1)電流故障診斷
①轉子條。當轉子回路出現故障時，在定子電流頻譜圖上，電源頻率兩側將出現一個邊頻帶(fp) ,轉速的波動使電流以電源頻率為中心，在±f上、下限之間變化。由于電機定子中三次諧波磁通的調制作用，使得轉速和2005電流波動更加明顯。由基頻與邊頻電流幅值的比值可以推斷斷裂的轉子條數目。
轉子條故障的嚴重程度與檢修策略可參考夏洛特聯合技術公司的“電動機電流分析嚴重程度和推薦的修正措施表”。
②氣隙偏心。氣隙偏心往往會造成振動值超限、定子與轉子碰擦等故障。氣隙偏心分為靜態偏心和動態偏心兩種。靜態偏心是由定子鐵芯的橢圓度或裝配不正確造成的；動態偏心是由轉軸彎曲、軸頸橢圓、臨界轉速時的機械共振及軸承磨損等造成。

(2)磁通故障診斷
電機電氣參數的改變將導致轉子或定子線圈磁場的不對稱，并反映在軸向電磁頻譜中。轉子條的狀態可通過分析電源頻率兩側的極通過頻率邊帶得到。從磁通頻譜的低頻可發現電源電壓不平衡、匝間短路等故障。電源電壓不平衡分析是對比其特征頻率的變化情況；匝間短路是通過對比電源頻率兩側轉速頻率邊帶的振幅變化確定的。磁通頻譜的高頻分析可以發現轉子條或定子槽問題，具體而言是分析其通過頻率的邊帶族變化情況。

(3)軸電壓及電流故障診斷
轉軸兩端對地的電位差為軸電壓，軸電壓較高往往與電機設計、制造缺陷，各種故障及非正常的電源條件有關。因此，對軸電壓的檢測和分析能發現電機存在的缺陷，并可監視電機鐵芯和繞組的劣化過程，避免軸電壓擊穿軸承油膜，在電機軸頸和軸瓦表面電弧放電而產生蝕點，破壞軸頸和軸瓦的配合。