三相永磁同步電機(jī)常見故障及解決對策

王曉璐

（山西維達(dá)傳動(dòng)科技有限公司，山西太原 030032）

0 引言

永磁電機(jī)因其節(jié)能效果顯著、綜合性能優(yōu)良，在多個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。永磁電機(jī)從結(jié)構(gòu)上簡化了傳動(dòng)鏈，系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)備及系統(tǒng)節(jié)能、提高維護(hù)性、降低運(yùn)行成本等方面取得了可觀的效果。目前已成功應(yīng)用于煤炭、水泥、鋼鐵、電力、港口、有色金屬等行業(yè)。

永磁電機(jī)的故障可分為電氣故障、機(jī)械故障和磁鋼退磁故障三大類（圖1），大多是原材料不合格、零部件加工超差、裝配方法不當(dāng)、設(shè)計(jì)方案不過關(guān)、人工誤操作等原因造成的。有些故障在早期難以察覺，或容易對故障有誤判，在后期發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)造成了一定的經(jīng)濟(jì)效益損失和時(shí)間損失。因此，及時(shí)排查電機(jī)故障、對故障早發(fā)現(xiàn)、解決潛在隱患顯得尤為重要。

圖1 永磁電機(jī)故障分類

永磁電機(jī)故障的快速、準(zhǔn)確排除對提高企業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率、有效避免返工、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、保證工人人身安全、降低企業(yè)的制造成本、確保電機(jī)的安全運(yùn)行具有重要的價(jià)值和意義。

1 電氣故障

1.1 定子繞組故障

1.1.1 繞組接地故障

繞組接地故障是指繞組與鐵芯、機(jī)殼之間絕緣破壞而引起繞組接地的故障，主要現(xiàn)象為機(jī)殼帶電、絕緣電阻為零、變頻器零序電流報(bào)警或過壓報(bào)警。故障發(fā)生后，實(shí)際拆機(jī)發(fā)現(xiàn)燒毀部位多數(shù)在繞組端部，故障原因主要有高電壓擊穿絕緣、機(jī)械磕碰等。

（1）與電機(jī)配合使用的變頻器為二電平變頻器，輸出電壓為方波，尖峰電壓較高，有可能瞬間擊穿絕緣的薄弱部位。將二電平變頻器更換為三電平變頻器可有效降低峰值電壓。

（2）在電機(jī)裝配時(shí)，繞組端部與端蓋相碰，有可能造成端部絕緣破損，進(jìn)而引起接地故障。對燒毀部位重新進(jìn)行絕緣處理，涂漆后再烘干，測試絕緣電阻無異常，可重新使用。

1.1.2 繞組開路故障

繞組開路故障是指繞組端部極間或極相間有斷開的焊接接頭，引起繞組端部斷路的故障。繞組開路故障主要現(xiàn)象為三相電流不平衡、電機(jī)振動(dòng)大或有異常噪聲、溫升超過設(shè)計(jì)要求的溫升限值，嚴(yán)重的甚至造成電機(jī)不能啟動(dòng)。

繞組開路故障的主要原因有：①極間與繞組引接線焊接不牢固、溫升高導(dǎo)致接頭燒斷；②裝配方法不當(dāng)造成繞組端部與其他部件磕碰；③匝間或相間短路造成繞組熔斷。

當(dāng)開路故障點(diǎn)在繞組端部時(shí)，可重新將接頭接好焊牢，包好絕緣材料，綁扎穩(wěn)固，刷漆后自然晾干。如果繞組由于匝間短路造成繞組嚴(yán)重熔斷，則應(yīng)更換繞組。

1.1.3 相間短路故障

相間短路故障是指三相繞組中，兩相繞組之間發(fā)生短路，包括繞組端部層間短路和槽內(nèi)上下層之間的短路，以及人為接線錯(cuò)誤引起的相間短路。主要現(xiàn)象為電流過大、三相電流不平衡、永磁電機(jī)手動(dòng)盤車盤不動(dòng)。

造成相間短路的原因有：①電機(jī)引出線浸漆變硬后彎曲拉扯造成絕緣層破損，導(dǎo)致相間接觸；②層間墊條墊偏或損傷、極間連線串相導(dǎo)致的相間短路。其中，極間連線錯(cuò)誤可以通過常規(guī)的直流電阻、匝間耐壓、絕緣電阻、工頻耐壓測試，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均顯示正常，但如果整機(jī)裝配完成后手動(dòng)盤車出現(xiàn)盤不動(dòng)故障，只能拆機(jī)重新查找故障點(diǎn)。

常規(guī)的檢測手段容易出現(xiàn)誤判，需用指南針法來測試判斷故障。指南針法是指在電機(jī)任意兩相之間接入直流電源，用指南針沿定子內(nèi)圓移動(dòng)。接法正確時(shí)，指南針N、S 極會(huì)均勻交替變化，其變化次數(shù)與極對數(shù)相同。

用指南針法測出N、S 極變換次數(shù)不對的區(qū)域，或者變換次數(shù)相同但交替變換的角度不同的區(qū)域即為故障部位，拆掉接線重新接線包絕緣后可解決此類故障。找到繞組引出線破損的部位后，半疊包二層硅橡膠自粘帶，外層再半疊包一層聚酰亞胺膠帶，最后套上絕緣套管。層間墊條破損的應(yīng)更換合格的層間墊條。

1.1.4 匝間短路故障

匝間短路故障是指繞組線路本身的絕緣發(fā)生故障，主要包括各極相組線圈間短路、一個(gè)極相組線圈之間短路以及一個(gè)線圈中線匝之間短路。主要故障現(xiàn)象為三相電流不平衡、振動(dòng)和噪聲增大。

匝間短路故障可通過匝間耐壓測試儀，測試三相波形是否重合作為判斷依據(jù)。匝間耐壓不重合原因是定子線圈在繞制、漲型、包袋、整形、模壓等工序中，損傷繞組線路本身的絕緣層導(dǎo)致的。

實(shí)際上同一臺電機(jī)線圈與線圈之間波形有微小的不一致，但線圈之間連接后三相完全重合這種情況。經(jīng)過實(shí)際測試驗(yàn)證，線圈之間波形不重合度不超過10%就完全可以使用。線圈出現(xiàn)匝間短路故障時(shí)，通常采用更換線圈的辦法解決。

1.2 空載特性故障

空載特性故障是指永磁電機(jī)在額定電壓、額定頻率運(yùn)行時(shí)，空載損耗和空載電流偏大的故障。永磁電機(jī)空載損耗和空載電流偏大的主要原因有齒槽轉(zhuǎn)矩過大、鐵芯質(zhì)量差、磁鋼渦流損耗大。

齒槽轉(zhuǎn)矩過大不但造成永磁電機(jī)啟動(dòng)困難，還有額外增加電機(jī)的空載損耗和空載電流。鐵芯來料質(zhì)量差會(huì)造成鐵耗增加，導(dǎo)致空載損耗和空載電流增大。電磁方案設(shè)計(jì)不合理，也會(huì)造成空載損耗和空載電流偏大。

解決此類故障需要從源頭上進(jìn)行把控，在電磁設(shè)計(jì)階段確保齒槽轉(zhuǎn)矩和磁鋼渦流損耗盡可能小，同時(shí)加大鐵芯來料質(zhì)量的檢驗(yàn)力度，完善鐵芯損耗檢測手段。

1.3 泄漏電流故障

泄漏電流故障是指永磁電機(jī)定子繞組在工頻耐壓測試時(shí)泄漏電流過大，超過報(bào)警設(shè)定值的故障。

以某臺1120 kW、額定電壓1140 V 的定子成型繞組為例，定子線圈直線邊半疊包二層少膠粉云母帶，做工頻耐壓測試顯示泄漏電流在600 mA 左右，超過工頻耐壓儀設(shè)定的報(bào)警值500 mA。造成此現(xiàn)象的原因主要是絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)薄弱，雖然二層少膠粉云母帶滿足耐壓要求，但泄漏電流過大會(huì)對設(shè)備和人員造成一定的安全隱患。

解決此類故障只需將鐵芯兩端的槽口墊上不帶膠的聚酰亞胺膠帶，經(jīng)工頻耐壓實(shí)測，泄漏電流可降低60%。這也證實(shí)了將絕緣加強(qiáng)是降低泄漏電流的有效手段。

1.4 電磁噪聲故障

電磁噪聲故障主要是由氣隙磁通的脈振和高次諧波引起的。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于齒、槽的影響，引起每極下磁阻的變化。由于電磁噪聲與每極下槽數(shù)有關(guān)，因此這種噪聲多數(shù)以齒頻率出現(xiàn)。永磁電機(jī)噪聲過高主要與齒槽轉(zhuǎn)矩過大、磁鋼磁通量一致性不好有關(guān)。齒槽轉(zhuǎn)矩過大，相應(yīng)的力波幅值也越大，振動(dòng)噪聲就越大，造成電機(jī)發(fā)出嗡嗡聲。

解決此類故障從設(shè)計(jì)的角度，盡可能選擇合適的極槽配合，槽數(shù)與極數(shù)最大公約數(shù)小、最小公倍數(shù)大的極槽配合；磁鋼磁通一致性不好時(shí)，同批次的磁鋼應(yīng)打亂順序裝在不同的槽中可有效降低電磁噪聲。

2 機(jī)械故障

2.1 軸承溫升故障

軸承溫升故障是指永磁電機(jī)做溫升試驗(yàn)時(shí)軸承溫度超過95 ℃、軸承溫升不能達(dá)到平衡的故障，其原因主要有磁鋼溫升高、軸電流腐蝕、軸承選型錯(cuò)誤、潤滑脂加注量過多或過少。

（1）如果電磁設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)不合理，磁鋼渦流損耗過大，就會(huì)造成磁鋼溫升過高。磁鋼的熱量通過轉(zhuǎn)子支架傳導(dǎo)給軸承，導(dǎo)致軸承溫度超過95 ℃。應(yīng)從設(shè)計(jì)上降低磁鋼渦流損耗。

（2）軸電流會(huì)造成軸承溫升過高。軸電流的產(chǎn)生是由于在由電機(jī)軸、軸承、軸承座組成的回路中，有與其相連并隨時(shí)間變化的磁通穿過，在軸上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，并在回路為通路時(shí)產(chǎn)生電流?？梢圆捎媒^緣軸承或者端蓋絕緣措施，以阻斷軸電流。

（3）電機(jī)兩端的軸承一端為固定端、一端為自由端，如果兩端都選擇球軸承，就會(huì)因溫升變化而軸承無軸向竄動(dòng)間隙，導(dǎo)致溫升過高故障。固定端和自由端應(yīng)選用合適的軸承。

（4）電機(jī)潤滑脂加注得過少，起不到潤滑作用，溫升增高；潤滑脂加注得過多，會(huì)造成軸承運(yùn)轉(zhuǎn)阻力增大，溫升增高。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，潤滑脂加注量以填滿軸承座殼體的1/2為宜。

2.2 軸承噪聲故障

軸承噪聲主要發(fā)生在使用滾動(dòng)軸承的電機(jī)上，轉(zhuǎn)子不平衡是主要原因，定轉(zhuǎn)子不同心、端蓋與軸承外套配合不好等是次要原因。因此，提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度、加工裝配精度，提高軸承制造質(zhì)量、配合精度，并保持良好潤滑，是降低軸承噪聲的有效措施。

3 磁鋼退磁故障

磁鋼退磁故障是指磁鋼在高溫下發(fā)生不可逆退磁的故障。磁鋼退磁故障包括均勻退磁故障和不均勻退磁故障。磁鋼退磁故障可通過反電勢的變化來判斷，如熱態(tài)反電勢較冷態(tài)反電勢變化值超過5%，可判斷為退磁。

磁鋼退磁的原因主要有電機(jī)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的磁鋼渦流損耗過大、磁鋼牌號選擇不對。從電磁設(shè)計(jì)源頭降低磁鋼渦流損耗、增加磁鋼厚度、選擇高牌號的磁鋼、轉(zhuǎn)子內(nèi)部設(shè)計(jì)通風(fēng)槽回路，都是增強(qiáng)磁鋼抗退磁能力的有效手段。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了永磁電機(jī)的常見故障，詳細(xì)分析故障的可能原因，并給出相關(guān)的解決對策，具有針對性、安全性、可靠性、適用性，為企業(yè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速排除永磁電機(jī)故障提供了有價(jià)值的參考，實(shí)現(xiàn)故障的提前預(yù)防，對提高企業(yè)生產(chǎn)效率，構(gòu)建智能化故障檢測方法具有重要意義。