某船主機缸套預(yù)熱水泵電機電流過大故障分析與排除

孫 磊

(第四八零八工廠威海修船廠，山東 威海 264200)

某船主機缸套預(yù)熱水泵配套電動機型號為Y801-2-H，功率 0.75 kW ，電壓 380 V ，電流 1.8 A，轉(zhuǎn)速 2 820 r/min。修后試驗時發(fā)生運行電流過大故障，實測空載運行電流1.9 A，負載運行電流4.6 A，嚴重超標(biāo)。

1 故障原因分析

導(dǎo)致三相異步電動機電流過大有內(nèi)外兩大因素，外因主要為負載大或電源電壓過高，內(nèi)因是電動機本身制造和裝配的質(zhì)量問題，主要表現(xiàn)在空載電流過大上。

絕大部分的空載電流用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，稱為空載激磁電流，是空載電流的無功分量。還有很小一部分空載電流用于產(chǎn)生電動機空載運行時的各種功率損耗(如摩擦、通風(fēng)和鐵損耗等)，這一部分是空載電流的有功分量，因占的比例很小，可忽略不計。因此，空載電流可以認為都是無功電流。從這一觀點來看，它越小越好，這樣電動機的功率因數(shù)提高了，對電網(wǎng)供電是有好處的。因定子繞組的導(dǎo)線截面面積是一定的，允許通過的電流也是一定的，如果空載電流增大，則允許通過導(dǎo)線的有功電流就只能減小，電動機所能帶動的負載就要減小。但是，空載電流也不能過小，否則會影響到電動機的其他性能?？傊蛰d電流是三相異步電動機的重要參數(shù)，它是鑒定電動機制造和修理的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。一般0.55～2.20 kW的三相異步電動機，其空載電流約為額定電流的40%～55%。[1]

從試驗結(jié)果看，主機缸套預(yù)熱水泵電機的空載電流(1.9 A)已超過額定電流(1.8 A)，測量輸入電壓385 V，用手轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)軸手感輕便無卡滯，基本上可排除外部因素，初步判斷是電動機自身質(zhì)量問題。電動機自身質(zhì)量問題導(dǎo)致空載電流過大，主要包括以下幾個方面。

1.1 定子質(zhì)量問題

1)定子繞組匝數(shù)少于正常值。根據(jù)歐姆定律，異步電動機的空載電流I0的計算方法如下[2]：

(1)

式中，Bg為電動機的氣隙磁通密度；Rmδ為電動機的氣隙磁阻；RmFe為電動機的鐵芯磁阻；K為常數(shù)；N為定子繞組的匝數(shù)。

公式(1)中，異步電動機定子的繞組匝數(shù)N減少，將導(dǎo)致空載電流增大。

2)定子繞組接線錯誤。應(yīng)為三相星接實為三相角接、并聯(lián)支路數(shù)多于設(shè)計值(例如應(yīng)1路串聯(lián)實為2路并聯(lián))等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律和電動勢公式，工頻異步電動機的氣隙磁通密度與相電壓及定子繞組的關(guān)系見公式(2):[2]

(2)

式中：Ke為定子繞組壓降系數(shù)；Kdp為定子繞組系數(shù)；U為相電壓；τ為極距；l為定子鐵芯長度。

三相星接錯接成三相角接，相當(dāng)于電動機相電壓增大了。公式(2)中電壓增大，氣隙磁通密度增大，空載電流將顯著增大；并聯(lián)支路數(shù)增加，繞組電阻減小，此時空載電流將成倍增加。

3)定子鐵芯硅鋼片質(zhì)量差。硅鋼片為不合格品或用火燒法拆除有故障的繞組時將鐵芯燒壞?；馃椒〞苟ㄗ庸桎撈嘶穑斐善鋵?dǎo)磁率下降，導(dǎo)致鐵芯磁阻增大，根據(jù)公式(1)，空載電流也增大。況且燒壞鐵芯片間絕緣，一方面增大了鐵芯渦流而增大空載電流，另一方面造成了鐵芯疊壓不緊，鐵芯磁阻增大，導(dǎo)致空載電流增大。

4)鐵芯長度不足或疊壓不實，造成有效長度不足。公式(2)中鐵芯長度減小，氣隙磁通密度增加，空載電流增大。

5)定子鐵芯軸向壓裝不到位置，定、轉(zhuǎn)子軸向錯位較多。定、轉(zhuǎn)子軸向錯位，導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子磁路不能完全重合，漏磁增加，使繞組電流增大，出力減少。

1.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量問題

1)轉(zhuǎn)子外圓加工尺寸小于正常值，定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙較大。氣隙的大小對異步電動機的性能、運行影響較大。氣隙過大使磁阻大增，從而使勵磁損耗增大，勵磁電流也隨之增大，電動機的功率因數(shù)也會下降，使電動機的性能變差。為減小勵磁電流和改善功率因數(shù)，應(yīng)盡量減少氣隙，但氣隙過小，又會使氣隙諧波磁場增大，電機雜散損耗和噪聲增加，使最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩都減小。[3]氣隙小容易使運行中的轉(zhuǎn)子和定子碰擦，發(fā)生“掃膛”現(xiàn)象，從而降低運行的可靠性，也給裝配帶來困難。一般小型異步電動機的氣隙約在0.25～1.50 mm之間。[4]

2)轉(zhuǎn)子裝反。如果轉(zhuǎn)軸兩端的軸承位與轉(zhuǎn)子鐵芯邊距離相同，轉(zhuǎn)子裝反，電機也能正常運行：若距離不等，反裝后，定、轉(zhuǎn)子軸向錯位較多，導(dǎo)致磁路不能完全重合，漏磁增加，繞組電流增大。

3)轉(zhuǎn)軸材料導(dǎo)磁性差。通常電動機轉(zhuǎn)軸一般都是由中碳鋼或合金鋼制成，中小型電機轉(zhuǎn)軸的材料常用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，對于小功率電機，有的用Q235A普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，水泵電機轉(zhuǎn)軸常用不銹鋼材料。不銹鋼按組織結(jié)構(gòu)分為奧氏體型不銹鋼和馬氏體型不銹鋼。奧氏體型不銹鋼由于加入含量較高的鉻和鎳(含鉻在18%左右，鎳在4%以上)，鋼的內(nèi)部組織呈現(xiàn)一種叫奧氏體的組織狀態(tài)，這種組織是沒有導(dǎo)磁性的，不會被磁化，不能被磁鐵所吸引。馬氏體型不銹鋼通過熱處理使其內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，機械性能優(yōu)于奧氏體型不銹鋼，具有導(dǎo)磁性，會被磁化，能被磁鐵吸引。

磁路中磁阻的大小與組成磁路的材料性質(zhì)有關(guān)，由于磁阻效應(yīng)，不導(dǎo)磁的奧氏體型不銹鋼做電動機轉(zhuǎn)軸會導(dǎo)致磁阻增大，使電流成倍增長。因此，一般不能用奧氏體型不銹鋼做電動機轉(zhuǎn)軸，只有對磁通有特殊要求的電機才會使用。

2 故障排查

2.1 定子質(zhì)量問題排查

在車間選擇一臺與水泵電機同型號的通風(fēng)機，在試驗臺上進行空載試驗，測量空載運行參數(shù)正常；水泵電機在試驗臺上進行空載試驗，測量空載運行參數(shù)異常，空載試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 空載試驗數(shù)據(jù)

將水泵電機與風(fēng)機電機拆卸分解，水泵電機轉(zhuǎn)子與風(fēng)機電機轉(zhuǎn)子互換后組裝，分別進行空載試驗，測量空載運行參數(shù)。水泵電機轉(zhuǎn)子換到風(fēng)機上，空載電流變大；風(fēng)機電機轉(zhuǎn)子換到水泵上，空載電流正常，基本不變。試驗結(jié)果可以排除定子存在質(zhì)量問題，并可確定轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量問題。

2.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量問題排查

1) 氣隙檢查。Y801-2電動機裝配主要尺寸如表2所示。

表2 Y801-2電動機裝配主要尺寸 mm

實測電機數(shù)據(jù)符合電動機裝配主要尺寸要求，氣隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)?？梢耘懦龤庀洞笠鹂蛰d電流過大的因素。

2) 轉(zhuǎn)子裝反檢查。將水泵電機轉(zhuǎn)子顛倒方向安裝，在車間試驗臺上進行空載試驗，水泵電機轉(zhuǎn)子正裝和反裝空載電流都是1.9 A，沒有變化。說明轉(zhuǎn)軸兩端的軸承位與轉(zhuǎn)子鐵芯邊距離相同，轉(zhuǎn)子反裝也能正常運行?？梢耘懦D(zhuǎn)子裝反，引起空載電流大的因素。

3) 轉(zhuǎn)軸材料導(dǎo)磁性差。轉(zhuǎn)軸外觀光亮無銹蝕，不能被磁鐵吸引，初步判斷轉(zhuǎn)軸為奧氏體型不銹鋼，取樣化驗結(jié)果為1Cr18Ni9Ti。

由此，可以確定導(dǎo)致水泵電機空載電流過大的原因是轉(zhuǎn)軸材質(zhì)不符合要求?？赡苁请妱訖C在某次修理時，更換了轉(zhuǎn)軸材質(zhì)。

3 解決方案

3.1 轉(zhuǎn)軸材質(zhì)選擇

轉(zhuǎn)軸是電機中的一個重要零件，作為電機與設(shè)備之間機電能量轉(zhuǎn)換的紐帶，支撐轉(zhuǎn)動零部件、傳遞力矩和確保轉(zhuǎn)動零部件對定子的相對位置。因此，轉(zhuǎn)軸必須具有一定的強度和剛度，確保預(yù)定設(shè)計功能的實現(xiàn)。

從水泵的角度來講，轉(zhuǎn)軸在保證機械性能的前提下力求耐腐蝕性；從電動機的角度來講，轉(zhuǎn)軸應(yīng)有良好的機械性能，同時必須具有導(dǎo)磁性；電動機與水泵同軸，二者兼顧，綜合考慮，宜選用馬氏體型不銹鋼材質(zhì)。工廠常用馬氏體型不銹鋼材質(zhì)為2Cr13，最終選用2Cr13調(diào)質(zhì)材料加工轉(zhuǎn)軸。

3.2 轉(zhuǎn)軸測繪加工

將轉(zhuǎn)子放到壓力機上，將轉(zhuǎn)軸壓出。用卡尺和千分尺測量轉(zhuǎn)軸尺寸，繪制轉(zhuǎn)子軸加工圖，轉(zhuǎn)子軸加工圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子軸加工圖

3.3 轉(zhuǎn)軸裝配試驗

將轉(zhuǎn)子鐵芯放到壓力機上，將轉(zhuǎn)軸壓入轉(zhuǎn)子鐵芯，裝配時確保轉(zhuǎn)軸與鐵芯相對位置正確。

水泵電機更換2Cr13材質(zhì)的轉(zhuǎn)軸后進行空載和負載試驗，空載0.9 A,負載1.5 A。試驗結(jié)果電機空載電流和負載電流均符合要求，電動機運行正常，故障排除。

4 結(jié)束語

造成電動機運行故障的因素很多，繞組參數(shù)、部件材質(zhì)、接線方式、修理和裝配質(zhì)量等均可能造成電動機發(fā)生故障。所以在制造或修理過程中應(yīng)嚴格按照標(biāo)準(zhǔn)和工藝進行，嚴禁隨意改變技術(shù)狀態(tài)，防止無依據(jù)、盲目地更換部件，產(chǎn)生人為故障而對電機運行造成不利影響。