电机振动故障机理分析探讨 (DEMO)

一、引言

电机的电气振动故障分析目前从理论上和实践中都是比较成熟的，有着不少成功的例证。但从电机故障分析工作过程反映，电机的一些机械影响因素也会产生与理论上的电气故障现象相同或相近的特征。另外，空气动力噪声也容易使人误认为存在电气问题。

二、

故障机理分析

几个常用术语

线频L f = 50 Hz (电网频率、电源频率)

电级通过频率p f = 电级数p×转差频率s f = 2S L f (一般0.3∽2 Hz；电极数越大，p f 值亦越大)

转差频率s f = ( 同步转速－异步转速)/ 60 (Hz)L f –电源频率Hz; p－电级数（电级对数为p/2）

转子条通过频率＝线槽频率＝转子条数k×RPM/60（Hz）

转子条数＝转子极数＋转速差？？？

同步转速n =60×L f /( p/2) （RPM）

同步频率（旋转磁场转速）L f /( p/2) （Hz）

转子转速1n RPM）

转子的速度频率为( 1 –S ) L f / ( p/2)

转差率S =（n－1n ）/ n

（一）定子异常产生的电磁振动原因及故障特征：

电机磁场是以同步速度n 在旋转，则其磁场交变频率与电网频率相同为L f 。定子电磁振动频率为旋转磁场频率L f /( p/2)和电磁动力级数p 的乘积2L f , 也就是2倍的电源频率。

1.径向振动存在2L f 分量，表明有气隙偏心、相间电流不平衡、绕组断路或铁心松动。

2.径向振动存在线槽频率k L f 分量，表明存在气隙偏心故障。

3.磁力中心不正常时与上述相同，再加上频率为2L f 的轴向振动大。2 L f ±f 频率成分

的振动大。

4.没有转子故障时，轴向振动小。

5.切断电源，电磁振动立即消失；

6.缺相问题

1)

电气接线松动或断裂会导致缺相问题，产生较高的2L f 的振动，并伴有L f 31的边频带。2)这种故障产生的2L f 的振动可超过25mm/s，若导线接触时好时坏则问题变得更加严重。这类问题必须立即处理。

7.定子铁心和定子线圈松动

振动频谱图中，电磁振动除了2L f 的基本成分外，还可能出现4L f 、6L f 、8L f 的谐波成分(与零部件松动机理类似)。

8.电机机座地脚螺钉松动

其结果相当于机座刚度降低，使电机在接近2L f 的频率范围发生共振，因而使定子振动增大。

（二）电机转子产生的电磁振动原因及故障特征：

1.转子条和短路环断裂

转子条和短路环断裂，转子条与短路环之间接触不好，或转子绝缘短路，均会产生较高的1倍频（线频L f ）振动,并伴有P f 的边频带。其产生机理为转子电流此处不能流过，由此产生不平衡电磁力,这不平衡电磁力F 在转子旋转时是随转子一起转动的，其性质和转子动态偏心的情况相同。另外、当存在转子条断裂时，由于电流分布的改变，气隙中将产生谐波磁通量，在定子绕组中也将感应出谐波电流分量，电流频率两侧出现边频带，转子故障越严重，边带越多，幅度越大。此外、在电机转速的各阶倍频处也有同样的边频带。

2．转子条松动

转子条松动会产生较高的转子条通过频率及其倍频的振动，并伴有2L f 的边频带。产生振动的机理可能与转子条松动产生间隙使之产生开口使磁通量发生变化或由于转子条松动破坏了两转子条之间的绝缘使磁通量发生变化。通常此类故障会引起较高的2倍的转子条通过频率的振动，而1倍的转子条通过频率的振动较小或根本没有变化（原理与不对中类似）。

（三）气隙不均匀引起的电磁振动及诊断原理：

异步电动机的气隙很小，气隙的偏心往往会成为故障的诱因，如振动值超限、定、转子碰摩等。气隙偏心有两种类型，一种是静态偏心，是由于定子铁心内径的椭圆度或装配不正确造成的，其偏心的位置(或最小气隙位置)在空间是固定的，与转子位置无关。另一种动态偏心，是由转轴弯曲、轴颈椭圆、临界转速时的机械共振、轴承磨损等造成的，其偏心位置在空间是变化的，通常与转子的位置和旋转频率有关。气隙偏心将导致沿气隙圆周方向的磁导不均匀，造成气隙磁场的不对称分布，这种不对称磁场分布将在定子电流中以谐波形式反映出来。实践证明，气隙偏心的频率成分的分布是从低频到高频都存在的，它取决于电机的设计和结构参数。

通过定子电流检测和频谱分析，如在频谱图出现气隙偏心特征频率时，就能确定电机存在气隙偏心，根据特征频率分量大小和变化情况，就能确定转子在气隙中的动态位移值，这就是诊断的原理。

1.气隙静态不均引起的电磁振动

电机定子中心与转子中心不重合时，定、转子之间气隙将出现偏心现象，这种气隙偏心往往固定在某一位置，（定子偏心）它不随转子旋转位置。这种偏心往往是因加工不精确或装配不注意造成的（要求≦±10%）。

1)静态气隙偏心产生的电磁振动原因及特征：

a)定子偏心会使气隙不均，产生方向性很强的振动。

b)转子与定子之间的静态偏隙故障，此时电机电流频谱的高频部分将出现故障特征信

息。电磁振动频率是电源频率的2L f 、k L f 倍;

c)电机软地脚或基础歪斜（使电机定子变形）会导致定子偏心。

d)定子绝缘不良会导致局部发热，使定子变形。由此产生的振动会随机器运行时间变长

温度上升而变化。

e)振动随偏心值的增大而增加；

f)与负载无关；

g)气隙偏心产生的电磁振动与定子异常产生的电磁振动较难区别。

2.气隙动态偏心电磁振动

动态偏心是气隙偏心的一种类型，当转子旋转时，它引起定子和转子间隙气隙不均匀。并且偏心位置随着转子的转动而改变。动态偏心的位置对定子是不固定的，对转子是固定的，因此，

偏心位置随转子的旋转而同步的移动。（2L f 频率振动值水平、垂直相位相差90°）1)气隙动态偏心产生电磁振动的特征是：

1)该偏心可能由轴弯曲，临界转速下谐波或轴承磨损、间隙增大引起的。

电机运行时，旋转磁场的同步速度频率为L f /( p/2)，转子的速度频率为( 1 –S ){L f / ( p/2)}; 由于存在动态偏心和转子不平衡同时产生了不平衡电磁力和不平衡机械力。

对偏心点A 来讲，旋转磁场超越转子转速的转速差为：

{L f /( p/2)－( 1 –S )L f / ( p/2)}×p＝2 S L f ＝P

f 因此，其产生的电磁力时域波形是以L f /( p/2)频率振动，以1/P f 为周期的节拍脉动。

2)气隙动态偏心产生电磁振动的特征是：

a)由于偏心定子产生不平衡电磁力由此产生不平衡力，产生高的振动。所以转子旋转频率r f 和旋转磁场同步转速频率L f 的电磁振动都可能出现，同时伴有P f 边频带。

b)转子绕组异常引起的电磁振动与转子动态偏心所产生的电磁振动的电磁力和振动波形相似，现象也相似较难判别。

(四)电机的动力噪声：

电机的空气动力噪声有涡流噪声和笛鸣噪声两种主要成分。涡流噪声主要由转子和风扇引起冷却空气湍流在旋转表面交替出现涡流引起的，其频谱范围较宽。笛鸣噪声是通过压缩空气，或空气在固定障碍物上擦过而产生的，即“口哨效应”，电机内的笛鸣噪声主要是径向通风沟引起的。风扇等距离叶片与气流摩擦或气流被转子部件均匀分割。笛鸣噪声是随转动部件和固定部件之间间隙的减小而增强。增大间隙，采用不等距风叶是降低笛鸣噪声有效办法。

（五）电机故障的一些特点：

一个故障在电机上常常表现出多种故障征兆。例如：鼠笼型异步电动机因笼条断裂或开焊时就会出现振动增加、起动时间延长、定子电流摆动，电机滑差增加、转速扭矩波动、温度升高等故障征兆。而且他们往往都是相关联的。断条故障发生后，如电机继续运行，随着劣化过程断条数量将越来越多，征兆越来越显著，故障越来越严重，最终使电机失效报废。1)

转子绕组断条、开焊故障时，电流摆动，起动困难，振动、滑差增加。2)电机软地脚或不对中经常导致不稳定的气隙不均。由不平的基础底板造成的电机软支撑常引起转子、定子之间气隙不均，导致产生2倍的线频。

经验表明当气隙增加10% 时，将显示2倍线频率。

4)高速运转的电机，主要噪声源是空气动力噪声，中速和低速电机则电磁噪声比较突出。

5)电机负载增大时，转差率增大，电机故障显著。所以，诊断电机最好在满负荷情况下进行。

6)多数电机的测点都远离轴承位置，这对信号的传递造成较大影响。它们可能会被机械阻尼衰减，或被电机存在的较大的刚体的共振所放大使信号失真。

一、空气动力噪声

一般隐极式转子的同频电机和异步电机的空气动力噪声其频谱最高值出现在800－4000Hz 范围。而凸极式同步电机噪声频谱最高值往往出现在100－800Hz的范围。

二、电磁噪声

电机在运行时，在定子和转子之间气隙空间有一个气隙磁场，它是一个旋转的力波，其产生的电磁力是交变的，气隙磁场中除了主磁通外，还有许多的谐波分量，它们的频率往往是与齿、槽数成倍数关系，因此电磁噪声中不但有2倍电源频率的主磁通引起的噪声外，主要是谐波磁通产生的较高的噪声。

电磁噪声都是单一频率的，对某一台电机来说，在某一转速下是固定不变的。因此、电磁噪声构成的频谱是不连续的，它包含一个或多个单峰的形式。

由于异步电机气隙小，特别是鼠笼绕组容易产生各种谐波，电磁噪声相对来说比较突出，尤其是电磁噪声频率主要是与转子齿频率成倍数的频率，正处在人耳敏感的频率范围内（3－5KHz）。

电器问题

1.定子偏心

2.矽钢片短路或松动

1)定子问题在2F L产生高振动

2)定子偏心产生气隙不均，振动具有很强的方向性

3)软地脚会产生定子偏心

同步电机定子线圈松动：

1.同步电机定子线圈松动，线圈通过频率产生高振动

2.线圈通过频率伴有1X RPM的边频

电源相连线松动：

2.相问题能在2F L引起高振动并伴有1/3 FL边频

3.如果不处理2FL振动值能超过25 mm/sec

4.有故障的连线有时时通时断

转子偏心造成的气隙不均：

1.转子偏心造成的气隙不均导致振动

2.需要细化放大频谱区别2F L和转速谐波

3.级频率F P范围一般在0.33-2Hz

直流电机故障：

1.可控硅整流器SCR触发速度高振幅能显示直流电机问题

2.磁场线圈断裂

3.保险丝和控制卡故障能引起1X到5X线频的高振动

电机转子问题：

1.1X, 2X, 3X, RPM 伴有极通过频率边频显示转子条问题

2.转子条通过频率(RBPF)伴有2X 线频显示转子条松动

3.2X、3X RBPF 振动值高，而1XRBPF 振动值较低

转子条松动振动机理：

转子条松动会使定子与转子的间隙发生变化，产生电磁振动。振动频率与转子条松动的大小及数量成正比。凡是能够使两者间隙发生改变的因素，如轴承间隙偏大、安装间隙改变的都会照成电磁振动现象。振动频率与转子条松动数量有关，若为转子与定子间隙发生改变，振动频率应为转子条数与转子转速之积。

R O T O R B A R F R E Q U E N C I E S (S L O T N O I S E

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