異步電動(dòng)機(jī)故障形式與其致障機(jī)理及相關(guān)問題研究

張建軍

（寧夏地質(zhì)礦產(chǎn)中心實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021）

0 引言

電機(jī)的正常工作對(duì)保證生產(chǎn)制造過程中的安全、高效、敏捷、優(yōu)質(zhì)及低耗運(yùn)行意義非常重大。電機(jī)的故障和停止運(yùn)行，不僅會(huì)損壞電機(jī)本身，而且會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，甚至?xí)＜叭松戆踩?，造成巨大的?jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)電機(jī)故障的診斷要求十分迫切。

1 異步電動(dòng)機(jī)的故障形式與致障機(jī)理

1.1 定子鐵芯故障

異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵芯結(jié)構(gòu)是:從鐵芯背部將硅鋼片緊緊地夾緊，然后再固定在定子的支架上。由于制造過程中或修理過程中穿轉(zhuǎn)子時(shí)損傷了定子內(nèi)的鐵芯，形成片間短路。環(huán)路電流不斷流過定子膛內(nèi)鐵芯短路的地方，經(jīng)過一段時(shí)間，電流漸漸增大。當(dāng)電流增大到一定程度后，定子鐵芯硅鋼片則會(huì)出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，然后鋼水則會(huì)流入定子槽中，燒毀繞組絕緣。此時(shí)，定子鐵芯的故障己相當(dāng)嚴(yán)重，而線圈也必需更換。這種故障的早期征兆是定子出現(xiàn)大的環(huán)路電流、高溫，同時(shí)絕緣材料出現(xiàn)高溫分解現(xiàn)象。小型電機(jī)也同樣會(huì)出現(xiàn)此類故障。造成小型電機(jī)出現(xiàn)此類故障的原因可能是制造上的原因，但更常見的原因則是由于電機(jī)自身振動(dòng)過于劇烈，導(dǎo)致電機(jī)定子鐵芯片間絕緣損壞。另外，軸承的損壞可能造成轉(zhuǎn)子與定子之間發(fā)生摩擦，從而損壞定子鐵芯。

1.2 繞組絕緣故障

絕緣系統(tǒng)是電機(jī)本身固有的無論是機(jī)械方面還是電氣方面最為薄弱的部分之一。繞組故障常常是由于絕緣缺陷形成的。絕緣缺陷包括主絕緣中的空洞或雜質(zhì)。絕緣中從其他地方來的雜質(zhì)油或金屬都是在制造過程中形成的。無論是由于絕緣老化或是孤立的缺陷所引起的絕緣故障，其故障的表征基本上是一致的，即電機(jī)內(nèi)活動(dòng)性放電量增加，這是該類故障的早期征兆。

1.3 定子端部線圈故障

在電機(jī)運(yùn)行過程中，定子端部繞組在力的作用下，會(huì)發(fā)生移動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)松弛時(shí)，端部繞組便會(huì)發(fā)生故障。在某些情況下，端部繞組絕緣會(huì)出現(xiàn)裂紋、磨損或完全損壞。對(duì)于大型電機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)，由于繞組綁扎松弛，線棒產(chǎn)生較大的位移，可引發(fā)線棒疲勞磨損故障。進(jìn)入電機(jī)的外來異物，如鋼墊圈、螺母等會(huì)被轉(zhuǎn)子打飛，直接擊傷定子的端部繞組，從而損壞電機(jī)。這些碎粒還可能在電磁力的作用下，侵入端部繞組的絕緣層，侵蝕絕緣，產(chǎn)生端部絕緣故障。定子線圈端部故障的早期征兆使端部繞組的振動(dòng)不斷加大，井可能出現(xiàn)對(duì)地放電現(xiàn)象。

1.4 轉(zhuǎn)子繞組的故障

對(duì)于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子故障常常表現(xiàn)為以下的幾種情況：轉(zhuǎn)子斷條端環(huán)破裂，高阻接頭，鑄鋁轉(zhuǎn)子中鑄造間隙和氣泡，繞線式轉(zhuǎn)子中的不良銅焊頭等。導(dǎo)致轉(zhuǎn)子故障的原因通常是轉(zhuǎn)子溫度過高，以及作用在鼠籠端環(huán)上的離心負(fù)荷過大，這種情況在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)特別突出。導(dǎo)致轉(zhuǎn)子故障的某些缺陷也可能是在制造過程中就己存在。例如，在制造壓鑄轉(zhuǎn)子時(shí)使用了不合格的鑄件以及采用銅焊或電焊的端環(huán)出焊接質(zhì)量不良等都會(huì)留下故障隱患。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致電阻過高，從而引起過熱。而在高溫條件下，鼠籠的強(qiáng)度降低，鼠籠條可能出現(xiàn)裂紋。此類故障常常發(fā)生在鼠籠的端環(huán)上，導(dǎo)致籠條伸出轉(zhuǎn)子槽外而得不到轉(zhuǎn)子鐵芯的支撐。鼠籠條與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位移，連續(xù)的高溫運(yùn)行或停車同樣可以引起鼠籠端環(huán)和鼠籠條變形，并最終導(dǎo)致端環(huán)與鼠籠條斷裂。

1.5 轉(zhuǎn)子本體故障

猶如對(duì)繞組的影響一樣，電機(jī)轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行中所承受的強(qiáng)大離心力同樣也可能引起轉(zhuǎn)子的本體故障。轉(zhuǎn)子本體故障一般表現(xiàn)為不平衡、不對(duì)中、軸彎曲、軸裂紋以及偏心等。

轉(zhuǎn)子不平衡故障是電機(jī)常見故障，不平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生同轉(zhuǎn)頻的周期性激振力，使振動(dòng)增大。在頻譜圖上主要表現(xiàn)為同轉(zhuǎn)頻的頻率分量幅值增加，如果不平衡超標(biāo)，應(yīng)該進(jìn)行動(dòng)平衡處理。如果電機(jī)轉(zhuǎn)子在加工過程中存在傷痕等隱患，在運(yùn)行中，這些裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，從而會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子斷裂的災(zāi)難性故障。轉(zhuǎn)子偏心分為靜偏心和動(dòng)偏心，最小徑向氣隙位置在空間固定的偏心為靜偏心。例如靜偏心能由定子鐵芯橢圓度或者轉(zhuǎn)子或定子的不正確定位引起的。當(dāng)轉(zhuǎn)子中線不在旋轉(zhuǎn)中心和最小氣隙隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，就出現(xiàn)動(dòng)偏心，所以動(dòng)偏心應(yīng)是空間和時(shí)間的函數(shù)。

1.6 電氣不平衡故障

電氣不平衡故障主要有三相電源不平衡、電機(jī)斷相運(yùn)行等。這種故障也較為常見，在負(fù)載運(yùn)行時(shí)斷相，能使電機(jī)定子電流迅速增大，使電機(jī)過熱，絕緣老化，使用壽命縮短，甚至燒毀電機(jī)，危害極大。

1.7 軸承故障

電機(jī)轉(zhuǎn)子在前后兩端由軸承支撐。一般對(duì)于臥式電機(jī)，軸承主要承受徑向力，通常采用球軸承，對(duì)于立式電機(jī)，軸承還要承受軸向力，通常采用推力軸承。軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)，承受較大的載荷，易發(fā)生故障，故障形式通常表現(xiàn)為磨損、點(diǎn)蝕、內(nèi)外圈破裂等故障。軸承故障能使振動(dòng)加劇，導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)，是電機(jī)常見的振動(dòng)源。

2 故障機(jī)理與技術(shù)條件之間的關(guān)系

在實(shí)際工作中，由于未能依據(jù)電機(jī)的用途而正確制定技術(shù)條件，從而導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)故障的事件很多。例如，一臺(tái)電機(jī)出力不夠或機(jī)殼選擇不合適，都可引起故障。電機(jī)的技術(shù)規(guī)范必須保證它的設(shè)計(jì)合乎其使用條件的要求。

電機(jī)的技術(shù)條件必須反映出電機(jī)將允許在什么樣的機(jī)械的、電氣的和環(huán)境的條件下工作。電機(jī)的故障都和這些條件有關(guān)，因此，選擇監(jiān)測(cè)和診斷參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮運(yùn)行條件的影響。

從機(jī)械方面來看，電機(jī)可能是周期間歇運(yùn)行，也可能是頻繁啟動(dòng)，這些都會(huì)引起繞組松動(dòng)、絕緣老化、軸承磨損及振動(dòng)加劇等缺陷。那些驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)負(fù)荷的電機(jī)，如驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)，也同樣會(huì)引起軸承嚴(yán)重磨損。

從電氣方面來看，無論是電力系統(tǒng)的電機(jī)，還是其他行業(yè)系統(tǒng)中的電機(jī)。它們都可能受到所在電網(wǎng)各種暫態(tài)過程的影響。這些暫態(tài)過程有緩慢擾動(dòng)和快速繞動(dòng)之分。緩慢擾動(dòng)如三相電壓小平衡，會(huì)引起電機(jī)的過熱，如果電機(jī)承受不平衡而造成的過熱能力不夠，就可能引起電機(jī)故障。電力系統(tǒng)的電壓快速變化的暫態(tài)過程，可以引起電機(jī)繞組電位分布不均，結(jié)果部分繞組上的電壓超過其絕緣能力，而絕緣破壞。

從環(huán)境角度來看，電機(jī)會(huì)遇到高溫及污染的問題。由于冷卻系統(tǒng)或運(yùn)行的環(huán)境有問題，即便是電機(jī)在額定功率下運(yùn)行，都有可能出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，使絕緣材料劣化。由于工業(yè)環(huán)境的影響，使電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境十分惡劣。贓物能堵塞冷卻器，弄臟密封裝置，卡住軸承從而引起過熱及機(jī)械故障。由于環(huán)境條件的影響，如濕度很高，也會(huì)降低絕緣性能。

顯然，電動(dòng)機(jī)的備種故障的產(chǎn)生是與運(yùn)行條件相關(guān)聯(lián)的，對(duì)于同類電機(jī)，處在不同的工作環(huán)境，會(huì)產(chǎn)生不同的故障。

3 結(jié)束語

總之，通過對(duì)電機(jī)常見故障的診斷和分析，可以及早發(fā)現(xiàn)故障和預(yù)防故障的進(jìn)一步惡化，減少突發(fā)事故造成的停產(chǎn)損失，防止對(duì)人員和設(shè)備安全的威脅，并為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修創(chuàng)造條件；還可為設(shè)計(jì)制造者提供經(jīng)驗(yàn)，積累數(shù)據(jù)，有助于電機(jī)性能及可靠性的改進(jìn)：同時(shí)對(duì)電機(jī)故障定位、決策及維修都具有極其重要的意義。

［1］沈標(biāo)正.電機(jī)故障診斷技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

［2］周東華,王桂增.故障診斷技術(shù)綜述[J].化工自動(dòng)化與儀表,1998,25(1),58-62.