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進口電機的振動分析：從振動原理到故障診斷
閱讀：1139 發布時間：2017-10-30電機的故障和診斷技術與電機的工作原理、運行方式、具體結構密切相關。無論是何種電機，其內部按能量轉換的原理分為三個環節（或稱系統）：電氣環節、磁耦合環節、機械環節。因為這三個環節的能量形式不同，所應用的故障診斷技術相應地有所差異。電氣環節的故障主要通過對電壓、電流的各種測量和分析來診斷，例如絕緣材料的老化，通過測量漏地電流來判定等等。
電機類型特點與測定標準
1 電機的主要部件
定子。是輸入電功率，產生磁場的靜止部件。對于交流電機，通常定子磁場是旋轉的。對于直流電機，定子磁場是靜止的。
轉子。是產生一個與定子磁場相對運動的磁場，并輸出機械功率的重要部件。所承受的電磁力轉為輸出的扭矩，因此往往要承受較大的機械應力。
集電環和換向器。是構成旋轉部分導電，建立相對運動磁場的滑動接觸機構。
軸承裝置。是支撐轉子旋轉，保持定子、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
電機的兩個磁場均由直流勵磁產生，則為直流電機；
電機的一個磁場由直流勵磁產生，另一個由交流電流產生。為使這兩個磁場相對靜止，直流勵磁磁場相對交流電產生的旋轉磁場必須嚴格同步，這就是同步電機。
電機的兩個磁場分別由不同頻率的交流電流產生，則為異步電機。
電機振動的測量與判定標準
電機振動測定是指電機在制造廠出廠試驗或試驗室內的振動研究試驗、檢修后現場試驗時的電機振動水平的準確測量，因此，對于電機的安裝條件、測試儀器、測點裝置、測量要求等都作了規定。
這種測定的目的：為了確定電機振動初始狀態時的振動水平，判定這臺電機出廠時或投入運行時振動值是否符合有關標準的規定；
為以后電機異常振動的診斷提供初始的參照數據。因此電機振動的測定，其目的和方法均與電機異常振動診斷有所區別。
1 電機振動有關標準
GBl0068—88《旋轉電機振動測定方法及限值》（國家標準）
IEC34—14(1986)《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》（電工協會頒布）
ISO2372(1974)《轉速從10r/s機器的機械振動——評定標準的基礎》（標準化組織頒布）
ISO3945(1985)《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》（標準化組織頒布）
VDI2056《機器的機械振動評價標準》(德國標準)
2 電機振動的測定方法
測量值的表示方法
不同轉速范圍的電機，其測量值的表示方法是不同的。國家標準規定，對轉速為600～3600r/min的電機，穩態運行時采用振動速度有效值表示，其單位mm/s。對轉速低于600r/min的電機，則采用位移振幅值（峰—峰值）表示，其單位為mm。
對測量儀器的要求
儀器的頻率響應范圍應為10～1000Hz，在此頻率范圍內的相對靈敏度以80Hz的相對靈敏度為基準，其他頻率的相對靈敏度應在基準靈敏度+10％～－20％的范圍以內，測量誤差不超過±10％。
測量轉速低于600r/min電機的振動時，應采用低頻傳感器和低頻測振儀，測量誤差應不超過±10％。
電機的安裝要求
彈性安裝。軸中心高為400mm及以下的電機，測振時應采用彈性安裝。
剛性安裝。對軸中心高超過400mm的電機，測時應剛性安裝。
電機在測定時的狀態
電機的測振應在電機空載狀態下進行
圖1 小型電機測點布置
圖2 端蓋軸承電機的測點布置
3 電機振動的限值
根據國家標準GBl0068.2-88《旋轉電機振動測定方法及振動限值》的規定，對不同軸中心高和轉速的單臺電機，在按GBl0068.1規定的方式測定時，其振動速度有效值應不超過表1的規定。
表1 電機振動速度有效值的極限標準（mm/s）
磁耦合系統的振動原理
1 基頻磁通的電磁振動
在電機氣隙中磁通密度是沿著轉子的圓周的空間而隨著時間按正弦波分布，可以用下式表示：
由于磁通密度的作用力與磁通密度B的平方成正比：
根據上式可知基波電磁力具有以下特點：
頻率為電源頻率的兩倍，即2f=100Hz；
以正弦波規律在圓周上分布；
隨時間以角速度ω回轉。
基波電磁振動：
空氣隙長度和磁路不平衡時；
一次電壓不平衡時；
轉子繞組不平衡(斷條和接觸不良)時。
這一振動，在轉子受橢圓形電磁力的兩極電機中特別明顯地表現出來。圖4表示了基波電磁力F的圓周方向的分布情況。
二倍電源頻率的振動，它是電機中的主要振動分量之一，尤其是在大型電機中，由于定子的固有頻率較低，這種頻率的振動分析和研究顯得特別重要。
基波電磁力不僅作用于轉子，也同時作用于定子。是造成定子槽內線包松動等故障的原因之一。
2 高頻磁通的槽振動
由于槽的磁導率變化等原因，產生高頻槽振動，在它引起的槽齒諧波中，特別要注意的頻率成分是fk：
根據K值，電磁力的各階模態呈如圖5所示的形狀。
圖5 電磁力的各階模態
這種電磁力是一種徑向力波(又稱旋轉波)，并且是單位面積上的力，當這些力波頻率以及其階次與定子對應的固有頻率及其模態階次接近或一致時，將發生共振效應，此時，電機的振動和噪聲將特別大。
例如，一臺四極電機，P=2，轉子的槽數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（P=2，ZR =40，ZS=48）的聲音頻譜圖
圖6是對這臺電機在距其一米的位置，用電容式傳聲器測試的聲音信號的頻譜。其中，fk0=1000Hz，fk1=1100Hz的頻率成分能明確地看出來，此時，前述的fk1=1100Hz是占主要的，而fk2=900Hz則看不出來。
4 直流及同步電機的電磁振動
直流電機的主磁極和轉子繞組之間作用著半徑方向的電磁力F(x，t)——這是振動的原因，它可用下式表示：
圖7 電磁力F(x，t)在圓周上的分布——振型模態
圖7 電磁力F(x，t)在圓周上的分布——振型模態這個力F(x，t)在空間上以余弦波cos(μZRx)在圓周上分布，圓周上具有的余弦波數根據μ的值如圖7所示分布。并保持這種分布形狀以槽角速度(μZRωr)旋轉，形成激振力引起定子振動。
定子根據μ的值產生伸縮模態、彎曲模態、橢圓模態、三角形模態而變形。
直流電機主要的激振力與槽頻率fz：
這個振動電磁力F(x，t)在時間上面的公式第二項看，是用cos(μZRωrt)表示的余弦波，因此，作為振動頻率體現出的成份是下式的槽頻率fz。
直流電機主要的激振力為這個fz和其高次諧波。
當槽數ZR=75，極對數2P=6時，
N=300 rpm時，fz=375 Hz；
N=1200 rpm時，fz=1500 Hz
對于同步電機的電磁噪聲和振動頻率，它有一個大的特點，就是與電網頻率成整數倍的關系。在同步電機中，有二類徑向力波引起的振動必須注意：
其一是二倍電網頻率的振動；
其二是定、轉子諧波磁場相互作用，而產生的徑向力波引起的振動。
對于直流電機的故障特征可以歸納為以下幾條：
如果轉頻fr 的振動很明顯，則有不平衡、軸彎曲等機械異常。
如果2xfr 振動明顯，則有不對中等安裝方面的異常。
槽頻率fz以及邊頻帶fz±fr 的振動明顯，則有包括電路異常的電氣故障的可能。
如fz和fn接近，則設計不合理。
高頻fc成分明顯時，線圈絕緣磨損或楔松動。
電機的故障特征
1 定子異常產生的電磁振動
電機運行時，轉子在定子內腔旋轉，由于定、轉子磁場的相互作用，定子機座將受到一個旋轉力波的作用，而發生周期性的變形并產生振動。
由于定子三相繞組產生的是一個旋轉磁場，它在定、轉子氣隙中以同步速度n0旋轉。若電網頻率為f0，則同步速度n0=60 f0/P。因此，作用在機座上的磁拉力不是靜止的，而是一個旋轉力，隨轉子旋轉而轉動，機座上受力部位是隨磁場的旋轉而在不斷改變位置。從（圖8c-e）中可以看出，當旋轉磁場回轉一周，磁拉力和電磁振動卻變化兩次。
a) 2極電機定、轉子和磁通 b) 定子所受電磁力和旋轉力波
c) 旋轉磁場波形 d) 磁拉力變化波形 e) 電磁振動的波形
電機磁場是以同步速度n0在旋轉，則其磁場交變頻率與電網頻率相同，為f0。而其電磁力的頻率和機座振動頻率由圖8b中可以看出，由于旋轉磁場的磁極產生的電磁拉力是每轉動一圈，電磁力交變P次。
因電磁振動在空間位置上和旋轉磁場是同步的，定子電磁振動頻率應為旋轉磁場頻率(f0/P)和電磁力極數(2P)之乘積2f0，也就是2倍的電源頻率。由此可知，電機在正常工作時，機座上受到一個頻率為電網頻率2倍的旋轉力波的作用，而可能產生振動，振動大小則和旋轉力波大小和機座剛度直接有關。
2 定子電磁振動異常的主要原因：
定子三相磁場不對稱。如電網三相電壓不平衡，因接觸不良造成單相運行，定子繞組三相不對稱等原因，都會導致定子磁場的不對稱，而產生異常振動。
定子鐵心和定子線圈松動，將使定子電磁振動和電磁噪聲加大，在這種情況下，振動頻譜圖中，電磁振動除了2f0的基本成份之外，還可以出現4f0、6f0、8 f0的諧波成分。
電機座底腳螺釘松動，其結果相當于機座剛度降低，使電機在接近2f0的頻率的范圍發生共振，因而使定子振動增大，結果產生異常振動。
3 定子電磁振動的特征：
振動頻率為電源頻率的2倍；
切斷電源，電磁振動立即消失；
振動可以在定子機座和軸承上測得；
振動幅值與機座剛度和電機的負載有關
6 氣隙不均勻引起的電磁振動
氣隙不均勻（或稱氣隙偏心）有兩種情況：
一種是由于定子、轉子不同心產生的靜態不均勻；
另一種是由于軸彎曲或轉子與軸不同心所產生的動態不均勻。
它們都會引起電磁振動，但是振動的特征并不*相同，分述于下。
1 氣隙靜態不均引起電磁振
電機定子中心與轉子軸心不重合時，定、轉子之間氣隙將出現偏心現象，這種氣隙偏心往往固定在某一位置，它不隨轉子旋轉而改變位置。從圖9a中可以看出，由于通過氣隙zui小點A的旋轉磁場頻率為f0/P，這時不平衡磁拉力將變化2P次，因不平衡磁拉力和電磁振動頻率為
圖9 靜態、動態偏心的電磁振動
a) 靜態偏心 ；b) 動態偏心；c) 動態偏心電磁力的拍振
靜態氣隙偏心產生的電磁振動特征是：
電磁振動頻率是電源頻率f0的2倍，即f=2f0；
振動隨偏心值的增大而增加，與電機負荷關系也是如此；
氣隙偏心產生的電磁振動與定子異常產生的電磁振動較難區別。
2 氣隙動態偏心電磁振動
電機氣隙的動態偏心是由轉軸撓曲、轉子鐵心不圓或轉子與軸不同心等造成的，偏心的位置對定子是不固定的，對轉子是固定的，因此，偏心位置隨轉子的旋轉而同步的移動，如圖9b)所示。
氣隙動態偏心產生電磁振動的特征是：
轉子旋轉頻率和旋轉磁場同步轉速頻率的電磁振動都可能出現。
電磁振動以1/(2sf0)周期在脈動，因此，在電機負載增加，s加大時，其脈動節拍加快。
電機往往發生與脈動節拍相一致的電磁噪聲。
7 轉子導體異常引起的電磁振動
籠型異步電機因籠條斷裂，繞線型異步電機由于轉子回路電氣不平衡，都將產生不平衡電磁力，這不平衡電磁力F在轉子旋轉時是隨轉子一起轉動的，其性質和轉子動態偏心的情況相同，其發生的機理如圖10所示。
圖10 轉子繞組不平衡引起的電磁振動
a) 發生振動的機理；b) 電磁振動波形
轉子繞組異常引起的電磁振動的特征：
轉子繞組異常引起電磁振動與轉子動態偏心所產生的電磁振動的電磁力和振動波形相似，現象相似，較難判別。雖然拍頻都是2sf0，但電磁振動的高頻部分不同，轉子動態偏心的高頻為2f0/P，轉子繞組異常的高頻為2(1－s)f0/P。
電機負載增加時，這種振動隨之增加，當負載超過50％以上時較為顯著。
若對電機定子電流波形或振動波形作頻譜分析，在頻譜圖中，基頻兩邊出現±2sf0的邊頻，根據邊頻與基頻幅值之間的關系，可判斷故障的程度。
