1、机械设备故障诊断基础机械设备故障诊断基础 第六章 电机的故障诊断技术5.1电机的基本类型电机的基本类型 电机按工作方式分类：发电机，电动机，电机按工作方式分类：发电机，电动机，电机的电流种类分：直流电机，交流电机；电机的电流种类分：直流电机，交流电机；交流电机又分为：同步电机，异步电机；交流电机又分为：同步电机，异步电机；同步电机：主要用作发电机；同步电机：主要用作发电机；异步电机：主要用作电动机，异步电机：主要用作电动机，90左右的电器左右的电器原动力均为异步电动机原动力均为异步电动机 电机的类型及其工作原理电机的类型及其工作原理直流电机的优点：具有优良的调速特性，调速平滑、方便、直流电机的
2、优点：具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击载荷，可实调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击载荷，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足生产过程自现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊化运行要求。动化系统各种不同的特殊化运行要求。缺点：制造成本和维护费用比交流电动机大。缺点：制造成本和维护费用比交流电动机大。但因交流电动机的调速性能至今还不能与直流电动机但因交流电动机的调速性能至今还不能与直流电动机相比，因此，直流电动机在需要宽广调速的场合和要求特相比，因此，直流电动机在需要宽广调速的场合和要求特殊运行性能的自动控
3、制系统中，一直占有突出地位。殊运行性能的自动控制系统中，一直占有突出地位。5.1.1直流电机的工作原理与结构直流电机的工作原理与结构5.2 5.2 电机的故障类型及其机理电机的故障类型及其机理5 52 21 1电机运行条件与故障之间的关系电机运行条件与故障之间的关系 电动机的运行受很多因素的影响，归纳起来主要受电动机的运行受很多因素的影响，归纳起来主要受安装地点和周围环境的影响、地基或安装基础的影响。这安装地点和周围环境的影响、地基或安装基础的影响。这些因素造成了对电机运行的干扰，在极端条件下将使电动些因素造成了对电机运行的干扰，在极端条件下将使电动机出现故障现象，甚至无法运行。这些因素对电动
4、机运行机出现故障现象，甚至无法运行。这些因素对电动机运行的干扰分述如下：的干扰分述如下：1)1)电网和电源的影响。电网和电源除向电动机输入电功电网和电源的影响。电网和电源除向电动机输入电功率外，同时伴随而来的有些因素却给电动机运行带来干扰，率外，同时伴随而来的有些因素却给电动机运行带来干扰，如电网的电压和频率波动。当电压过低时，重载的异步电如电网的电压和频率波动。当电压过低时，重载的异步电动机会因堵转而烧毁；快速开关或开关切断时产生的涌浪动机会因堵转而烧毁；快速开关或开关切断时产生的涌浪电压或操作过电压，会造成过电压击穿；雷击过电压会使电压或操作过电压，会造成过电压击穿；雷击过电压会使绝缘系统
5、因过电压而击穿；电源中的谐波分量会造成换向绝缘系统因过电压而击穿；电源中的谐波分量会造成换向困难和交流电机谐波转矩的增加。这些都会对电动机运行困难和交流电机谐波转矩的增加。这些都会对电动机运行产生不利影响。产生不利影响。2)2)负载性质和负载机械的影响。电动机在轴伸端输出的机械功负载性质和负载机械的影响。电动机在轴伸端输出的机械功率，必须要满足工作机械要求，包括过渡过程所需加速力矩或率，必须要满足工作机械要求，包括过渡过程所需加速力矩或制动力矩。但电动机也受到来自工作机械的反力和附加力矩的制动力矩。但电动机也受到来自工作机械的反力和附加力矩的影响，如安装时不对中、联轴器调整不当，以及由于冲击负
6、载影响，如安装时不对中、联轴器调整不当，以及由于冲击负载引起扭振等，都会从轴伸端输入附加力和交变力矩，影响电动引起扭振等，都会从轴伸端输入附加力和交变力矩，影响电动机运行，是电动机产生振动。机运行，是电动机产生振动。3)3)安装环境和场所的影响。电动机在运行时会向周围空间发散安装环境和场所的影响。电动机在运行时会向周围空间发散热量和噪声，但是环境温度、湿度、海拔以及电动机安装场所热量和噪声，但是环境温度、湿度、海拔以及电动机安装场所的粉尘、有害气体、盐雾、酸气等，对电动机运行也将产生影的粉尘、有害气体、盐雾、酸气等，对电动机运行也将产生影响。响。4 4）地基或基础的影响。电动机向工作机械传输的
7、转矩和电动）地基或基础的影响。电动机向工作机械传输的转矩和电动机自重必须由地基或基础来承受，由轴传入的工作机械附加力机自重必须由地基或基础来承受，由轴传入的工作机械附加力和力矩，合闸、拉闸时出现的冲击力矩，也会通过电动机的机和力矩，合闸、拉闸时出现的冲击力矩，也会通过电动机的机座传入地基。但是，电动机也常常会受到来自地基的反作用力，座传入地基。但是，电动机也常常会受到来自地基的反作用力，如因基础振动冲击使电动机受到影响。如因基础振动冲击使电动机受到影响。5.25.22 2 电机的故障原因的分析电机的故障原因的分析5.2.2.1 5.2.2.1 定子铁心的故障定子铁心的故障 1 1）定子铁心短路
8、。）定子铁心短路。2 2）定子铁心松动。）定子铁心松动。5.2.2.25.2.2.2绝缘故障绝缘故障 1.1.绝缘故障现象绝缘故障现象 1 1）老化。）老化。3 3）过热。）过热。4 4）受潮。）受潮。2 2）磨损。）磨损。5 5）污染。）污染。6 6）电晕。）电晕。2 2 电动机线圈的故障电动机线圈的故障 1 1）线圈绝缘磨损线圈绝缘磨损。2 2）绝缘破损绝缘破损。3 3）匝间短路匝间短路。4 4）绝缘电阻降低绝缘电阻降低。5.2.2.3 5.2.2.3 电机转子线圈故障电机转子线圈故障1 1）断条和端环开裂断条和端环开裂。2 2）绕线转子线圈击穿、开焊和匝间短路绕线转子线圈击穿、开焊和匝间
9、短路。5.2.2.45.2.2.4直流电机换向故障直流电机换向故障 直流电动机故障的种类也很多，和异步电动机最不同的是直流电动机故障的种类也很多，和异步电动机最不同的是换向故障。对直流电机来说，良好的换向是保证直流运行的换向故障。对直流电机来说，良好的换向是保证直流运行的前提。而换向故障的影响因素众多，发生几率较高的一种常前提。而换向故障的影响因素众多，发生几率较高的一种常见故障就是幻想火花，无论是电动机负载条件变化、环境条见故障就是幻想火花，无论是电动机负载条件变化、环境条件变化、还是安装调整及运行维护的变化，均会使换向条件件变化、还是安装调整及运行维护的变化，均会使换向条件变坏，都会导致换
10、向火花，进而滑动接触变坏，造成恶性循变坏，都会导致换向火花，进而滑动接触变坏，造成恶性循环。环。2 2产生换向火花的原因产生换向火花的原因 直流电机的换向问题与电机本身及外界的很多因素有关，直流电机的换向问题与电机本身及外界的很多因素有关，如设计时换向参数的选择是否合理，电机的制造和调理是否如设计时换向参数的选择是否合理，电机的制造和调理是否精确，运行时负载条件、维护条件和周围环境条件等。产生精确，运行时负载条件、维护条件和周围环境条件等。产生换向火花通常有下面几个方面原因：换向火花通常有下面几个方面原因：1 1）电磁原因电磁原因。根据换向的电磁理论，换向过程中，当电流。根据换向的电磁理论，换
11、向过程中，当电流变化规律不是直线换向时，在电刷前后刷边的电流密度分布变化规律不是直线换向时，在电刷前后刷边的电流密度分布不均，电刷与换向片断开时，元件内换向附加短路电流并未不均，电刷与换向片断开时，元件内换向附加短路电流并未为零，元件内的电磁能将以换向火花形式释放出来，这是换为零，元件内的电磁能将以换向火花形式释放出来，这是换向火花产生的根本原因。向火花产生的根本原因。2 2）机械原因机械原因。在换向器和电刷构成的滑动接触过程中，由。在换向器和电刷构成的滑动接触过程中，由于换向器的变形和表面工作状态不良、电刷机构工作性能不于换向器的变形和表面工作状态不良、电刷机构工作性能不良和电机的机械振动等
12、因素，使滑动接触受到干扰和处于不良和电机的机械振动等因素，使滑动接触受到干扰和处于不稳定状态，也会产生换向火花。稳定状态，也会产生换向火花。3 3）负载原因，冲击性负载、频繁的过载电流变化率过高负载原因，冲击性负载、频繁的过载电流变化率过高等等都是造成换向条件困难和产生换向火花的直接原因。都是造成换向条件困难和产生换向火花的直接原因。4 4）环境原因环境原因。电机周围温度过低、空气中含尘量过高、。电机周围温度过低、空气中含尘量过高、有害性气体和室温过高都会导致氧化膜的不正常和换有害性气体和室温过高都会导致氧化膜的不正常和换向火花的加大。向火花的加大。3 3换向不良的征兆及产生的原因换向不良的征
13、兆及产生的原因 直流电机换向不良主要表现为换向火花，另外还直流电机换向不良主要表现为换向火花，另外还表现在氧化膜的状态、滑动接触的稳定性、电刷与换表现在氧化膜的状态、滑动接触的稳定性、电刷与换向器的磨损、电刷与换向器的温升等。而这些因素之向器的磨损、电刷与换向器的温升等。而这些因素之间又是相互影响和关联的，其表现往往是错综复杂的。间又是相互影响和关联的，其表现往往是错综复杂的。有时一个故障原因可以产生几种换向不良的征像和产有时一个故障原因可以产生几种换向不良的征像和产生故障原因对照起来分析。生故障原因对照起来分析。5.2.2.55.2.2.5转子本体的故障转子本体的故障 转子是电动机输出机械功
14、率的部件，工作时转子是电动机输出机械功率的部件，工作时往往承受各中复杂和交变的应力，如离心力、电往往承受各中复杂和交变的应力，如离心力、电磁力、热应力、惯性力和附加强迫振荡力，导致磁力、热应力、惯性力和附加强迫振荡力，导致容易出现各种各样的故障。转子上零件的脱落和容易出现各种各样的故障。转子上零件的脱落和松动造成转子失衡，以及转子偏心产生不对称磁松动造成转子失衡，以及转子偏心产生不对称磁拉力、转轴弯曲、轴颈椭圆等原因，都将导致电拉力、转轴弯曲、轴颈椭圆等原因，都将导致电动机振动增加。冲击性载荷在电动机和负载机械动机振动增加。冲击性载荷在电动机和负载机械构成的弹性惯性系统中会激发起扭转振荡，使转
15、构成的弹性惯性系统中会激发起扭转振荡，使转子结构部件和转轴因高交变力矩而疲劳。子结构部件和转轴因高交变力矩而疲劳。5.35.3电机的状态监测及故障诊断技术电机的状态监测及故障诊断技术5.3.15.3.1电机故障诊断技术概述电机故障诊断技术概述5.3.1.15.3.1.1电机故障诊断的几种常用技术电机故障诊断的几种常用技术 各种类型的电机具有相同的基本原理，电机内部各种类型的电机具有相同的基本原理，电机内部有电路、磁路、绝缘、机械和通风散热等独立又相互有电路、磁路、绝缘、机械和通风散热等独立又相互关联的系统，因而所有电机均可采用诊断技术。但另关联的系统，因而所有电机均可采用诊断技术。但另一方面还
16、应该看到各类电机的工作原理有所区别，结一方面还应该看到各类电机的工作原理有所区别，结构、电压等级、绝缘系统等均存在较大的差别，所以构、电压等级、绝缘系统等均存在较大的差别，所以诊断方法和重点又有差别，诊断时必须根据每类电机诊断方法和重点又有差别，诊断时必须根据每类电机的具体特点，采用不同的检测手段。的具体特点，采用不同的检测手段。电机的诊断技术有以下几种：电机的诊断技术有以下几种：1 1）电流分析法电流分析法。2 2）振动诊断振动诊断。3 3）绝缘诊断绝缘诊断。4 4）温度诊断温度诊断。5)5)换向诊断换向诊断。6 6）振声诊断振声诊断。5.3.1.25.3.1.2电机的诊断过程电机的诊断过程
17、 电机和其他机器一样，在运行过程中有能量、介质、电机和其他机器一样，在运行过程中有能量、介质、力、热量、磨损等各种物理和化学参数的传递和变化，力、热量、磨损等各种物理和化学参数的传递和变化，由此而产生各种各样的信息。这些信息变化直接或间接由此而产生各种各样的信息。这些信息变化直接或间接地反映出系统的运行状态，而在正常运行和出现异常时，地反映出系统的运行状态，而在正常运行和出现异常时，信息变化规律往往是不一样的，电机的诊断技术就是根信息变化规律往往是不一样的，电机的诊断技术就是根据电机运行时不同的信息变化规律，即信息特征来判别据电机运行时不同的信息变化规律，即信息特征来判别电机运行状态是否正常。
18、电机运行状态是否正常。电机故障诊断过程和其他设备的诊断过程是相同的，电机故障诊断过程和其他设备的诊断过程是相同的，其诊断过程应包括异常检查、故障状态和部位的诊断、其诊断过程应包括异常检查、故障状态和部位的诊断、故障类型和起因分析等三个部分。故障类型和起因分析等三个部分。1 1异常检查异常检查 1 1）电机的监测和保护。）电机的监测和保护。2 2）电机故障早期征兆的发现和趋势控制。）电机故障早期征兆的发现和趋势控制。2 2故障状态和部位的诊断故障状态和部位的诊断 这是在发现异常后接着进行的诊断内容，属于精这是在发现异常后接着进行的诊断内容，属于精密诊断内容。可用传感器采集电机运行时的各种状态密诊
19、断内容。可用传感器采集电机运行时的各种状态信息，并用各种分析仪器对这些信息进行数据分析和信息，并用各种分析仪器对这些信息进行数据分析和信号处理，从这些状态信息中分离出与故障直接有关信号处理，从这些状态信息中分离出与故障直接有关的信息来，以确定故障的状态和部位。的信息来，以确定故障的状态和部位。3 3分析故障类型和起因分析故障类型和起因 这是利用诊断软件或专家系统进行电机状态的识别，这是利用诊断软件或专家系统进行电机状态的识别，以确定故障类型和起因。以确定故障类型和起因。故障诊断的后两部分是属于电机精密诊断的内容，故障诊断的后两部分是属于电机精密诊断的内容，电机的精密诊断是对于状态有异常的电机进
20、行的专门性电机的精密诊断是对于状态有异常的电机进行的专门性的诊断，它具有下列功能：的诊断，它具有下列功能：1 1）确定电机故障类型、分析故障起因；）确定电机故障类型、分析故障起因；2 2）估算故障的危险程度，预测其发展；）估算故障的危险程度，预测其发展；3 3）确定消除故障、恢复电机正常状态的方法。）确定消除故障、恢复电机正常状态的方法。5.3.25.3.2电流法对异步电机的诊断电流法对异步电机的诊断 5.3.2.15.3.2.1电流法异常诊断技术电流法异常诊断技术 分析异步电机的电流可以诊断其电气异常和机械异常，分析异步电机的电流可以诊断其电气异常和机械异常，大致可以分为以下大致可以分为以下
21、5 5类：类：1 1）一次电路的电气异常，如电源系统的单相负载（由于电）一次电路的电气异常，如电源系统的单相负载（由于电炉和整流器工作不正常）电源电压不平衡，一次绕组的不炉和整流器工作不正常）电源电压不平衡，一次绕组的不对称、短路、接地、局部加热等造成的阻抗不匹配等。对称、短路、接地、局部加热等造成的阻抗不匹配等。2 2）绕线转子异步电机的二次绕组的电气异常，如二次绕组）绕线转子异步电机的二次绕组的电气异常，如二次绕组的不对称、短路、接地以及电刷、集电环、启动电阻器的的不对称、短路、接地以及电刷、集电环、启动电阻器的接触不良、断线等。接触不良、断线等。3 3）笼型异步电机的二次回路的电气异常，
22、如二次鼠笼条材）笼型异步电机的二次回路的电气异常，如二次鼠笼条材质不相同、断条、外壳断裂、环断裂、焊接头异常等。质不相同、断条、外壳断裂、环断裂、焊接头异常等。4 4）异步电动机的机械异常，如轴瓦磨损、偏心造成的气隙）异步电动机的机械异常，如轴瓦磨损、偏心造成的气隙不均匀，磁场中心偏移造成的磁不平衡等。不均匀，磁场中心偏移造成的磁不平衡等。5 5）被驱动机械的异常，如被驱动机械系统异常（传动带损）被驱动机械的异常，如被驱动机械系统异常（传动带损坏、轴承烧坏、联轴器脱落等）或被驱动机床的刀具、工坏、轴承烧坏、联轴器脱落等）或被驱动机床的刀具、工具磨损破损等。具磨损破损等。5.3.2.25.3.2
23、.2用电流法诊断异步电机的基本原理用电流法诊断异步电机的基本原理 给异步电机加上三相对称的电压，在一次回路中则有给异步电机加上三相对称的电压，在一次回路中则有三相对称的电流、流动，在两极电机的情况下旋转磁场三相对称的电流、流动，在两极电机的情况下旋转磁场（见图（见图5-205-20），如将它用矢量图表示，则为圆形的旋转磁），如将它用矢量图表示，则为圆形的旋转磁场，该旋转磁场使异步电机旋转。场，该旋转磁场使异步电机旋转。如果考虑在一次回路中流过三相不对称的电流，根据交流电理如果考虑在一次回路中流过三相不对称的电流，根据交流电理论，此电流可分解为朝正方向旋转的正相电流和朝反方向旋转论，此电流可分解
24、为朝正方向旋转的正相电流和朝反方向旋转的反相电流，此时的磁场，呈椭圆形旋转磁场，如图的反相电流，此时的磁场，呈椭圆形旋转磁场，如图5-215-21所示所示。如旋转磁场是椭圆形的，电机根据圆周方向的位置不同，转。如旋转磁场是椭圆形的，电机根据圆周方向的位置不同，转子产生的转矩也不同，所以随转子的旋转，电流、旋转速度和子产生的转矩也不同，所以随转子的旋转，电流、旋转速度和振动是脉动的。由于此处是用电流波形诊断，则应考虑电流波振动是脉动的。由于此处是用电流波形诊断，则应考虑电流波形是怎样的。如果异步电动机的同步速度为形是怎样的。如果异步电动机的同步速度为n ns s（单位为（单位为r/sr/s），）
25、，旋转速度为旋转速度为n n（单位为（单位为r/sr/s），转差率为），转差率为s s，极对数为，极对数为p p，电源频，电源频率为率为f f（单位为（单位为H HZ Z），则），则(1)snnssfnp(1)snns由此，在施加三相不对称电流的情况下，一次、二次电流可由此，在施加三相不对称电流的情况下，一次、二次电流可以得出以下结论，即如果回路发生异常产生不对称状态，则：以得出以下结论，即如果回路发生异常产生不对称状态，则：1 1）一次电流以脉动）一次电流以脉动2sf2sf；2 2）二次电流叠加有）二次电流叠加有 的成分。的成分。在图在图5-225-22所示的异常电流成分中，可有效用于诊断的
26、是一次所示的异常电流成分中，可有效用于诊断的是一次电流的频率成分电流的频率成分p(f)p(f)以及边频成分以及边频成分 。异常的严重程度用异常的严重程度用SFSF表示，表示，即即定期检测电流。根据其频定期检测电流。根据其频谱计算谱计算sf sf 进行趋势管理，进行趋势管理，可以早期发现异步电机的可以早期发现异步电机的异常。根据异常。根据 sfsf可以极为准可以极为准确地检测出异步电机的电确地检测出异步电机的电气异常。气异常。(2)100zs fH(2)Pfsf(2)(2)()P fsfP fsfSFP f图图5-235-23表示了绕线转子异步电机（表示了绕线转子异步电机（30KW 30KW）的
27、转子断条根数）的转子断条根数与与 sfsf值的关系，由图中可见，即使一根断条也可以明确地值的关系，由图中可见，即使一根断条也可以明确地检测出来。检测出来。此外，在图中纵坐标是此外，在图中纵坐标是将将sf sf 取对数用取对数用20logsf 20logsf 表示的，图中可知，诊断表示的，图中可知，诊断灵敏度是根据工作电流变灵敏度是根据工作电流变化的，因此诊断应该在全化的，因此诊断应该在全负载时进行。图中的良好负载时进行。图中的良好区域是区域是 -60 -50db-60 -50db，它表示断条数在它表示断条数在2 2%以下；以下；注意区域是注意区域是 -50 -35db-50 -35db，它表示
28、断条在它表示断条在4 4%以下；以下；危险区域是危险区域是 以上的区域，此时意味着断条率超过了以上的区域，此时意味着断条率超过了4 4%。在定子一侧有某些异常时一次及二次电流的波形在定子一侧有某些异常时一次及二次电流的波形如图如图5-245-24所示。所示。在转子一侧有某些异常时一次及二次电流的波在转子一侧有某些异常时一次及二次电流的波形如图形如图5-255-25所示。所示。5.3.2.35.3.2.3电流法诊断异步电动机的实践电流法诊断异步电动机的实践前面介绍了用电流法诊断异步电动机的原理，在此介绍具前面介绍了用电流法诊断异步电动机的原理，在此介绍具体的诊断方法。体的诊断方法。诊断如图诊断如
29、图5-265-26所示，用所示，用2 2个电流传感器同时测定异步电机个电流传感器同时测定异步电机任意两相的电流（此处任意两相的电流（此处 相的电流为相的电流为 ，相的电流为，相的电流为 ）。）。了诊断，要测定必要的征兆参数，需测试了诊断，要测定必要的征兆参数，需测试1 1次电流和次电流和2 2次电次电流。流。1 1次电流中把表次电流中把表示脉动的边频成分示脉动的边频成分 的占有率作为指数，的占有率作为指数，测定测定1 1次电流的严重次电流的严重度和度和1 1次电流的不对次电流的不对称度。称度。1 1次电流的严重度见式次电流的严重度见式)()2()2(1fPsffPsffPSF1 1次电流的不对
30、称度见式次电流的不对称度见式11111ababIIUFII2 2次电流的严重度见式次电流的严重度见式2(2)(2)()PfsfPfsfSFP f2 2次电流的不对称度见式次电流的不对称度见式22222ababIIUFII将它们的测试值与事先确定的基准值进行比较，则可以进行诊断。基准值将它们的测试值与事先确定的基准值进行比较，则可以进行诊断。基准值的确定目前尚无理论研究，只能根据实践和经验确定。表的确定目前尚无理论研究，只能根据实践和经验确定。表5-15-1是根据一些资是根据一些资料介绍的经验确定的判断基准，可作为诊断参考。料介绍的经验确定的判断基准，可作为诊断参考。表表5-1 5-1 电机的电
31、流法判定基准例电机的电流法判定基准例1次、2次电流征兆参数判定基准值（%）良好注意危险1次电流严重度 不对称率 51051010102次电流严重度 不对称率 1020102020205.3.2.4 电流法诊断异步电机的实例电流法诊断异步电机的实例 在介绍诊断的实际例子前，先确认电流法对异步电机的诊断原在介绍诊断的实际例子前，先确认电流法对异步电机的诊断原理和诊断装置原理的概要。表理和诊断装置原理的概要。表5-2综合概括总结了异步电机的电流特综合概括总结了异步电机的电流特性与异常的关系，这是日本丰田利夫在进行诊断实际工作时的潜心性与异常的关系，这是日本丰田利夫在进行诊断实际工作时的潜心总结，在表
32、中要掌握住异步电机的总结，在表中要掌握住异步电机的1次电流及次电流及2次电流的波形与各种次电流的波形与各种异常的关系。异常的关系。用电流法为对异步电机用电流法为对异步电机快速准确诊断而开发的快速准确诊断而开发的转子状态检测仪系统框转子状态检测仪系统框图如图图如图5-27所示，在仪所示，在仪器内部有快速傅里叶变器内部有快速傅里叶变换器（换器（FFT装置），能装置），能对电流的脉动成分，即对电流的脉动成分，即严重度严重度 进行自动计算并进行自动计算并输出。输出。图图5-27 转子状态检测仪的组成转子状态检测仪的组成 异步电机电流法诊断的仪器配置如图5-28所示。诊断时将异步电机的三相电流中的任意两
33、相电流 、用两个电流传感器同时测定，并同时测试振动，参考其波形和频率，对其进行综合判定，这点是重要的。AIBI图图5-28 异步电机电流法诊断的仪器配置图异步电机电流法诊断的仪器配置图表表3-2 异步电机的各种异常与电流特性的关系总结异步电机的各种异常与电流特性的关系总结 像这样能用电流法诊断的异步电机异常边频带成分绝大多数是增大的，仅经过实际确认了的用电流法能检测出的异常就有以下种类：1）转子断条；2）转子短路环裂缝；3）绕线转子的接触电阻增大（接触不良）；4）铝压铸转子的气孔；5）气隙不均匀；6）磁场不均匀（磁场中心偏移）；7）转子弯曲；8）转子偏心。除此之外，被驱动机械系统的异常种类很多
34、也可用电流法诊断。用电流法可以诊断的感应电机主要的异常种类如图5-33所示。图图5-33 用电流法可以诊断的感应电机主要异常用电流法可以诊断的感应电机主要异常5.3.3 电流法对直流电机的诊断5.3.3.1 用电气信号诊断直流电机概述 采用电压和电流等电气信号，在对直流旋转机械异常诊断技术中实用性较高的5种方法见表5-3。这五种诊断技术如表所示各有利弊，其中接地电流法和磁通密度法最实用，在此主要介绍接地电流法，磁通密度法另行叙述。表表5-3 电气信号对直流电机诊断技术电气信号对直流电机诊断技术4定子部分绝缘下降的情况 直流电机转子以外的定子部分如果发生绝缘劣化时（定子部分不运动），接地电流 的
35、直流分量会增加，也就是说，接地电流 仅仅直流分量增加时，可以判断定子部分的绝缘下降。5.3.3.3 直流电机在线异常监测装置 如前所述，监测接地电流 可以设计出直流电机的在线异常监测装置，归纳其要点如下：1）电机转子接地，可根据接地电流 的低频交流成分 来监测（低频监测通道）；2）电机转子及换向器的短路和断线，可监测接地电流 的高频脉冲成分（高频监测通道）；3）转子以外的固定部分的绝缘下降，可监测接地电流 直流成分（全电流通道）。按上述考虑开发的直流电机在线异常监测装置，其系统框图如图5-38所示。sisisisisintsisi3.3.4 根据振动、噪声的感应电机诊断3.3.4.1 电机的电
36、磁振动 感应电机发生的电磁振动或电磁噪声有以下三种：1）频率为 的低频电磁振动；2）由于槽的高频电磁槽振动；3）由于扭转振动频率为 的弯曲振动。其中3）是指由于转子的导体切割磁力线产生电气回路的不平衡，从而产生滑差频率的2倍约 （：转差率，：电源频率）的“弯曲”振动和声音。1由于基频磁通的电磁振动 在电机空隙中，磁通密度是沿着转子圆周的空间而且随时间按正弦波分布，可以用下式表示 （5-19）式中 基波磁通密度的幅度（T）；磁极对数；电源频率，为电源频率（Hz）；转子中心轴线的空间角度。2120Hzf 2sf2sfsf0sin()BBpt0Bp2ff 磁通密度的作用力 与磁通 的二次方成正比，即
37、 （5-20）根据式（3-19）、式（3-20）可知基波电磁力；1）频率为电源频率 的2倍，即 ；2）以正弦波规律在圆周上分布；3）随时间以角速度 回转。像这样频率为 的基波电磁振动在以下几种情况下较多：1）空气隙长度和磁路不平衡时；2）1次电压不平衡时；3）转子线圈不平衡（断条和接触不良等）时。这一振动在转子受椭圆形电磁力的2极电机中特别明显地表现出来。基波电磁力 圆周方向的分布情况如图5-39所示。2001 cos(2)2BFptf2120Hzf 2120Hzf 3.3.4.2 电机机械系统的振动特性 前面已阐明了电磁激振力的大小与频率及模态形状，它们是由于电磁力的作用，使电机的定子铁心振
38、动并进一步将这一振动传递到框架而发生的振动。由于定子铁心较厚，刚性也高，所以铁心机壳组成的机械系统的动刚度基本上是由铁心所决定的。为避免出现振动和噪声问题，应使机械系统的固有频率与电磁激振力的频率不相同。因此必须了解有关电机定子铁心固有频率的知识。1.定子铁心的固有频率及振动模态 由于前述的电磁力的作用，感应电机的铁心机壳机械系统以固有模态形式及固有频率振动。感应电机根据其结构以相应的形式振动，2极m=2（椭圆模态），4极m=4（4角形模态），并发出声音（见图5-44）。图图5-44 2极以及极以及4极感应电机的固有振动模态极感应电机的固有振动模态图图5-45 计算铁芯固有频率的圆环计算铁芯固
39、有频率的圆环 2.铁心的固有频率和变形量的计算 诊断时有必要对 的大概值通过计算或测试知道，铁心上虽然有槽、形状复杂，但计算固有频率 时，可假设为如图5-45所示的圆环，用式（5-25）来计算。（5-25）式中 n阶固有频率（Hz）；E材料的纵向弹性模量（）；nfnfnf22(1)212nn nEIgfDAn2/kgfmm I 圆环中性轴的二次惯性矩（）；A圆环的断面积（）；g 重力加速度（）；D 圆环的中径（);材料的比重（）。材料为钢材时，将E=2.1 ，代入上式，则 （5-26）式中 h圆环厚度（mm）。圆环变形的模态形式如图5-46所示。根据电机的结构。2极电机n=2的模态为主，4极电
40、机n=4的模态为主。某小型感应电机模态的实测例子如图5-47所示，固有频率，可以明确看出n=2时的椭圆变形模态。在可以粗略近似计算时，标准的感应电机铁心的固有频率可以用下面近似式计算。4mm2mm29800/mm smm3/kgfmm4210/kgfmm627.86 10/kgfmm252219.4 101nn nhfDn 对2极电机 （5-27）对4极电机 （5-28）这里D为铁心的中径（单位为mm），可以用于粗略推定固有频率，但计算式的适用范围仅限于标准设计的2极和4极感应电机。以上是电机的铁心机壳机械系统的固有频率计算方法，固有频率可以通过简单的锤击试验来确定。测定固有频率的概况如图5-
41、48所示，从图中可以知道，测试方法为用冲击锤敲击被测电机的外壳，将其振动响应信号引入FFT分析仪，通过傅里叶变换，读出其频谱中幅值较大的频率成分即可。电机的机械系统固有频率的测试步骤如下：1)将振动传感器装在电机的外壳上，用冲击锤敲击一点；2)用FFT分析仪分析振动传感器的响应波形；50nfD150nfD 3)功率谱中幅值最大的频率则为固有频率；4)将振动传感器的位置按图5-48中振动传感器2位置变化安装位置，反复进行上述的测试；5)振动传感器在各处变化时，可以发现功率频谱频率成分最明显的点，这点则为传感器最佳安装位置。根据上述实验步骤，可以确定：1)电机的机械系统固有频率 ；2)诊断时振动传
42、感器的最佳安装位置。5.3.4.3 根据振动、声音诊断感应电机的实例根据振动、声音诊断感应电机的实例 感应电机的异常诊断可以将5.3.3节的电流法和本节的振动、声音方法合并使用。诊断感应电机时仪器的配置示意图5-49所示。测定电磁振动的振动传感器（振动传感器A）如图所示安装在定子外壳上。测定电磁振动传感器最好如图所示在垂直方向和水平方向各安装一个，通常用一个也可以。nf图图5-48 锤击法测定电机固有振动频率锤击法测定电机固有振动频率图图5-49 诊断感应电机时仪器的配置图诊断感应电机时仪器的配置图 测定机械振动的传感器（振动传感器测定机械振动的传感器（振动传感器B）如图所示安装在轴）如图所示
43、安装在轴承的外壳上。此外，用于声音分析的电容式传声器承的外壳上。此外，用于声音分析的电容式传声器M安装在距安装在距电机电机1m、方向指向电机定子外壳中心的地方。、方向指向电机定子外壳中心的地方。为看出振动与旋转的关系，图中还装有旋转脉冲发生器，为看出振动与旋转的关系，图中还装有旋转脉冲发生器，作为振动分析的相位基准。作为振动分析的相位基准。轴承异常和不对中等旋转机械的异常可以把从振动传感器轴承异常和不对中等旋转机械的异常可以把从振动传感器B取得的振动信号通过取得的振动信号通过FFT的频率分析来进行诊断，这些纯粹属的频率分析来进行诊断，这些纯粹属于机械的异常的诊断。于机械的异常的诊断。这里是归纳
44、通过分析振动传感器这里是归纳通过分析振动传感器A的电磁振动，对感应电机的电磁振动，对感应电机的电气异常进行诊断的方法。的电气异常进行诊断的方法。感应电机的电磁振动如前所述，包括基频磁通的低频信号感应电机的电磁振动如前所述，包括基频磁通的低频信号2f，边带边带 和根据转差率的高频振动和根据转差率的高频振动 ，如图，如图5-50所示。实际所示。实际上还有其他的谐波和边频带，在此做了简化。上还有其他的谐波和边频带，在此做了简化。感应电机如存在以下异常，图感应电机如存在以下异常，图5-51中的电源频率成分的中的电源频率成分的2f及及边带边带 成分会发生下列变化：成分会发生下列变化：22fsfkf22f
45、sf 1）1次电压不对称，次电压不对称，2次绕组异常（断条和次绕组异常（断条和2次回路接触不次回路接触不良）等电气异常；良）等电气异常；2)转子偏心、不平衡、不对中等机械异常。转子偏心、不平衡、不对中等机械异常。设设f=60Hz，s=0.05.则则2f=120Hz，边带，边带 =114Hz（126Hz），这频率的振动属于极低频率成分。），这频率的振动属于极低频率成分。另一方面，定子铁心的固有频率另一方面，定子铁心的固有频率 很接近或者有机很接近或者有机械松动的情况下，械松动的情况下，的成分增大。这个频带范围通常对感的成分增大。这个频带范围通常对感应电机来说是应电机来说是10005000Hz左右
46、，是电机的主要噪声源。左右，是电机的主要噪声源。对于对于4极电机，极电机，p=2，r=40，S=48的情况下，如前述一样，的情况下，如前述一样，在这种情况下，在这种情况下，SR，所以是以，所以是以 为主。这个频带的声音，对人耳是最敏感的，所以感为主。这个频带的声音，对人耳是最敏感的，所以感应电机出现噪声问题时，有必要了解这个频率与铁心应电机出现噪声问题时，有必要了解这个频率与铁心外壳的机外壳的机械系统固有频率械系统固有频率 作为设计基准，两者至少要相差作为设计基准，两者至少要相差25%以上才行。以上才行。到此为止介绍的感应电机诊断的识别算法如图到此为止介绍的感应电机诊断的识别算法如图5-51所
47、示，诊所示，诊断时如按照这些步骤基本可得到正确诊断的结果。断时如按照这些步骤基本可得到正确诊断的结果。22fsf20 2 0.05 60 nkff与槽频率kf槽频率0121200,1320,1080,kkkfHz fHz fHz21320kfHznknfff是否接近。与图图5-51 感应电机振动、噪声诊断的程序框图感应电机振动、噪声诊断的程序框图5.3.5振动、声音对直流电机的诊断振动、声音对直流电机的诊断3.3.5.1 直流电机的振动直流电机的振动 直流电机如图直流电机如图5-52所示，可以看出其结构比较简单，所以其所示，可以看出其结构比较简单，所以其振动也比较简单，下面研究一下可能产生什么
48、频率的振动和音。振动也比较简单，下面研究一下可能产生什么频率的振动和音。在直流电机的磁极和转子绕组之间作用着半径方向的力在直流电机的磁极和转子绕组之间作用着半径方向的力 (这是振动的原因），它可用式这是振动的原因），它可用式(5-29）表示）表示 （5-29）式中式中 转子的槽数；转子的槽数；旋转角速度（旋转角速度（rad/s）；）；x 转子的圆周方向距离；转子的圆周方向距离；t 时间（时间（s）；）；整数整数 0，1，2，3，。根据式（根据式（5-29），产生振动和声音的半径方向的电磁力），产生振动和声音的半径方向的电磁力 ,沿着圆周方向（空间）呈正弦波状态分布，它还随时间以槽角沿着圆周方向
49、（空间）呈正弦波状态分布，它还随时间以槽角速度速度 旋转。旋转。txF,tZxZFtxFraarcos,aZrtxF,raZ图图5-52 直流电机的构造直流电机的构造3.3.5.5 根据振动、声音对直流电机的诊断根据振动、声音对直流电机的诊断 在前面已叙述了直流电机产生振动的机理，这里叙述利用在前面已叙述了直流电机产生振动的机理，这里叙述利用它进行异常诊断的方法。直流电机各种异常和振动频谱的关系它进行异常诊断的方法。直流电机各种异常和振动频谱的关系如图如图5-56所示。图中表示了可能产生的频率成分，实际上与其所示。图中表示了可能产生的频率成分，实际上与其相关的谐波和边频成分也会同时出现，为诊断
50、提供了重要的信相关的谐波和边频成分也会同时出现，为诊断提供了重要的信息，这里为了简化将其省略。息，这里为了简化将其省略。将诊断需要的知识简单归纳为以下几点：将诊断需要的知识简单归纳为以下几点：1)如果如果 很明显，则有不平衡、轴弯曲等机械异常；很明显，则有不平衡、轴弯曲等机械异常；2)如如2 明显，则有不对中等安装上的异常；明显，则有不对中等安装上的异常；3)槽频率槽频率 正以及边频带正以及边频带 明显，则有包括电路异常明显，则有包括电路异常 的电气异常的可能；的电气异常的可能；4)如如 接近，则设计不合理；接近，则设计不合理；5)高频高频 成分明显时，线圈绝缘磨损或楔松动。成分明显时，线圈绝
