電機的故障診斷技術與電機的工作原理、運行方式和具體結構密切相關。無論哪種電機，其內部根據能量轉換原理分為三個環節(或系統):電氣環節、磁耦合環節和機械環節。由于這三個環節的能量形式不同，應用的故障診斷技術也相應不同。電氣環節的故障主要是通過對電壓和電流的各種測量和分析來診斷的，比如絕緣材料的老化，通過測量泄漏電流來判斷等等。

一個

電機的類型、特性和測量標準

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電機的主要部件

定子。它是一個輸入電能并產生磁場的靜態部件。對于交流電機，定子磁場通常是旋轉的。對于DC電機，定子磁場是靜態的。

轉子。它是產生相對于定子磁場運動的磁場并輸出機械動力的重要部件。接收到的電磁力被轉換成輸出力矩，因此經常受到較大的機械應力。

集電環和換向器。它是一種滑動接觸機制，使旋轉部件導電并建立相對運動磁場。

軸承裝置。它是一種支持轉子轉動并保持定子和轉子相對位置的機械結構。

2

電機的類型與工作原理的區別

電機的兩個磁場都是DC勵磁產生的，所以是DC電機；

電機的一個磁場由DC勵磁產生，另一個由交流電流產生。為了使這兩個磁場相對靜止，DC勵磁磁場必須與交流產生的旋轉磁場嚴格同步，也就是同步電機。

電機的兩個磁場分別由不同頻率的交流電產生，所以是異步電機。

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電機振動的測量和判斷標準

電機振動測量是指在電機的出廠試驗或實驗室振動研究試驗過程中，以及大修后的現場試驗中，對電機振動水平的準確測量。因此規定了電機的安裝條件、測試儀器、測點裝置和測量要求。

該測量的目的是：

為了確定電機在振動初始狀態下的振動水平，確定電機出廠時或投入運行時的振動值是否符合相關標準的要求；為今后電機異常振動的診斷提供了初步的參考數據。因此，電機振動測量的目的和方法不同于電機異常振動的診斷。

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電機振動有關標準

GB/T 10068-2020 《軸中心高為56mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值》(國家標準)iec 34-14 《中心高為56mm及以上旋轉電機的振動——振動烈度的測量、評定及限值》(國際電工協會發布)ISO2372 《轉速從10r/s機器的機械振動——評定標準的基礎》(國際標準化組織發布)ISO3945 《轉速10r/s機器的機械振動——在運行地點對振動烈度的測量和評定》(國際標準化組織發布)VDI 2056

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電機振動的測定方法

測量值的表示方法

不同速度范圍的電機的測量值以不同的方式表示。根據國家標準，轉速為600 ~ 3600 r/min的電動機，應以穩態運行時振動速度的有效值表示，單位為mm/s。轉速低于600轉/分的電機，采用位移幅值(峰-峰值)，單位為毫米

對測量儀器的要求

儀器的頻率響應范圍應為10 ~ 10~1000Hz。該頻率范圍內的相對靈敏度基于80Hz的相對靈敏度。其他頻率的相對靈敏度應在參考靈敏度的10% ~-20%范圍內，測量誤差不超過10%。轉速低于600r/min的電機振動測量應采用低頻傳感器和低頻測振儀，測量誤差不應超過10%。

電機的安裝要求

彈性安裝。在振動測量期間，軸高為400毫米或以下的電機應彈性安裝。剛性安裝。軸心高度超過400mm的電機，測量時應嚴格安裝。

測量期間電機的狀態。

電機的振動測量應在電機空載狀態下進行。

圖1小型電機測點布局

圖2端蓋軸承電機測點布局

圖3底座軸承電機測點布局

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電機振動的限值

根據國家標準GBl0068.2-88

在電機的氣隙中，磁通密度隨時間沿轉子圓周呈正弦波分布，可用下式表示：

由于磁通密度的力與磁通密度b的平方成正比：

根據上述公式，基本電磁力具有以下特征：

頻率是電源的兩倍，即2f=100Hz；按正弦波定律分布在圓周上；以角速度隨時間旋轉。

基本電磁振動：

氣隙長度和磁路不平衡時；當初級電壓不平衡時；轉子繞組不平衡時(斷條和接觸不良)。

圖4基本電磁力的分布

這種振動在轉子受橢圓電磁力的兩極電機中尤為明顯。圖4示出了基本電磁力f的圓周分布

倍頻振動是電機，尤其是大型電機的主要振動成分之一。由于定子的固有頻率較低，對該頻率的振動分析和研究就顯得尤為重要。

基本電磁力不僅作用在轉子上，也作用在定子上。是定子槽線包松動的原因之一。

1

基頻磁通的電磁振動

由于槽磁導率的變化，會發生高頻槽振動。在其引起的槽齒諧波中，要特別注意的頻率分量是fk:

根據k的值，電磁力的模式是圖5所示的形狀。

圖5電磁力的模式

這個電磁力是徑向力波(也叫旋轉波)，是單位面積的力。當這些力波的頻率和階次與定子的固有頻率和模態階次接近或一致時，就會發生共振效應。這個時候電機的震動和噪音會特別大。

比如一臺四極電機，P=2，轉子槽數ZR=40，定子槽數ZS=48，先計算其模態階數K:

圖6交流感應電機聲譜圖(P=2，ZR=40，ZS=48)

圖6示出了由電容式麥克風在距離該馬達一米處測試的聲音信號的頻譜。其中，fk0=1000Hz和fk1=1100Hz的頻率成分可以清晰的看到。此時，前面提到的fk1=1100Hz占優勢，但看不到fk2=900Hz。

四

和DC同步電機的電磁振動。

徑向電磁力F(x，t)——作用在DC電機的主磁極和轉子繞組之間。這是振動的原因，可以用下面的公式表示：

圖7電磁力F(x，t)在圓周上的分布3354個振動模式

圖7電磁力F(x，t)在圓周上的分布3354個振型。這個力F(x，t)在圓周上分布為空間上的余弦波cos(ZRx)。圓周上余弦波的數量根據的值分布，如圖7所示。并保持這種分布形狀，以槽角速度(ZRr)旋轉，形成激振力引起定子振動。

根據定子的值，產生拉伸模態、彎曲模態、橢圓模態和三角形模態進行變形。

DC電機主激振力和槽頻fz:

振動電磁力F(x，t)是一個余弦波，用上面公式的第二項cos(ZRrt)表示時間。因此，反映為振動頻率的分量是下式的槽頻率fz。

DC電機的主要激振力就是這個fz及其高次諧波。

當凹槽數量ZR=75并且極對數2P=6時，

在N=300轉/分時，fz=375赫茲；在N=1200轉/分時，fz=1500赫茲

至于同步電機的電磁噪聲和振動頻率，它有一個很大的特點，就是它是電網頻率的整數倍。在同步電機中，徑向力波引起的振動有兩種，必須引起注意：

一個是兩倍電網頻率的振動；二是定子和轉子間諧波磁場相互作用產生的徑向力波引起的振動。

DC電機的故障特征可總結如下：

如果變頻fr振動明顯，則存在不平衡、軸彎曲等機械異常。如果2xfr振動明顯，則存在異常

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當電機運行時，轉子在定子腔內旋轉。由于定子和轉子磁場之間的相互作用，定子基座將受到旋轉力波的作用，該力波將周期性地變形和振動。

因為定子三相繞組產生旋轉磁場，所以它在定子和轉子之間的氣隙中以同步速度n0旋轉。如果電網頻率為f0，則同步轉速N0=60f0/p .因此，作用在機座上的磁拉力不是靜態的，而是一個旋轉力，它隨著轉子的旋轉而旋轉，機座受力部分隨著磁場的旋轉而不斷改變位置。從(圖8c-e)可以看出，旋轉磁場轉一圈，磁張力和電磁振動變化兩次。

圖8電磁振動的機理

a)2極電機的定子、轉子和磁通量b)定子上的電磁力和旋轉力波。

c)旋轉磁場的波形d)磁張力變化的波形e)電磁振動的波形。

電機磁場以同步轉速n0旋轉，其磁場交變頻率與電網頻率相同，為f0。電磁力的頻率和基座的振動頻率可以從圖8b中看出。旋轉磁場的磁極產生的電磁拉力是電磁力每旋轉一周交替p次。

由于電磁振動與空間旋轉磁場同步，定子電磁振動頻率應為2f0，即旋轉磁場頻率(f0/P)與電磁極數(2P)的乘積，是電源頻率的兩倍。可以看出，電機正常工作時，底座受到頻率為電網兩倍的旋轉力波，可能會引起振動，而振動與旋轉力波和底座的剛度有直接關系。

高頻磁通的槽振動

1

定子三相磁場不對稱。如電網三相電壓不平衡、接觸不良導致單相運行、定子繞組三相不對稱等。都會導致定子磁場不對稱，產生異常振動。

定子鐵芯和定子線圈的松動會增加定子的電磁振動和噪聲。在這種情況下，在振動頻譜圖中，除了2f0的基本分量外，電磁振動中還可以出現4f0、6f0和8 f0的諧波分量。

電機的底座螺絲松動相當于底座剛度降低，使電機在接近2f0的頻率范圍內共振，從而加大定子的振動，產生異常振動。

定子異常產生的電磁振動

2

振動頻率是電源頻率的兩倍；切斷電源，電磁振動立即消失；振動可在定子機座和軸承上測量；振動幅度與底座的剛度和電機的負載有關。

六

不均勻氣隙引起的電磁振動

氣隙不均勻(或偏心氣隙)有兩種情況：

一種是定子和轉子偏心造成的靜態不均勻；另一種是由軸的彎曲或轉子與軸之間的偏心引起的動態不均勻性。都是引起電磁振動的，只是振動的特點不完全一樣，下面介紹。

定子電磁振動異常的主要原因：

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當電機的中心與轉子的軸線不重合時，定子與轉子之間的氣隙會產生偏心，這種偏心往往固定在某一位置，不隨轉子的轉動而改變位置。從圖9a可以看出，由于通過氣隙極小點A的旋轉磁場的頻率為f0/P，此時不平衡磁拉力會改變2P時間，因為不平衡磁拉力和電磁振動頻率為

圖9靜態和動態偏心電磁振動

a)靜態偏心率；b)動態偏心率；c)動態偏心電磁力的拍振

靜態氣隙偏心引起的電磁振動的特征是：

電磁振動頻率是工頻f0的兩倍，即f=2f0隨著振動偏心的增大，振動偏心與電機負載的關系也是如此。氣隙偏心引起的電磁振動很難區分

籠型異步電動機因籠條斷裂會產生不平衡電磁力，繞線式異步電動機因轉子回路電氣不平衡會產生不平衡電磁力。這種不平衡電磁力F在轉子旋轉時會隨轉子一起旋轉，其性質與轉子動偏心相同。其機制如圖10所示。

圖10轉子繞組不平衡引起的電磁振動

a)振動的機理；b)電磁振動波形

轉子繞組異常引起的電磁振動特征：

轉子繞組異常引起的電磁振動與電磁力和振動波形中轉子動態偏心引起的電磁振動相似，現象相似，難以區分。雖然拍頻是2sf0，但是電磁振動的高頻部分是不一樣的。轉子動偏心高頻為2f0/P，轉子繞組異常高頻為2 (1-s) F0/p，電機負荷增大，振動增大，尤其是負荷超過50%時。如果分析電機的定子電流波形或振動波形的頻譜，在頻譜圖中基頻的兩側都出現了2sf0的邊頻。根據邊頻與基頻幅值的關系，可以判斷故障的程度。

圖11正常電流頻譜圖

圖12棒斷裂時的電流頻譜(滿載)