馬達缺陷：全面頻譜分析

頻譜振動分析

馬達缺陷：全面頻譜分析

馬達消耗約 45% 的工業用電 全球。根據 EPRI 研究，故障分佈如下： ~23% 定子故障, ~10% 轉子缺陷, ~41% 軸承劣化，以及 ~26% 外部因素。許多這些故障模式會在振動頻譜中留下獨特的指紋——遠在災難性故障發生之前。

本文提供透過頻譜振動分析與輔助技術（MCSA、ESA 與 MCA）識別馬達缺陷的全面指南。

25 分鐘閱讀 ISO 20816 · IEC 60034 · IEEE 1415 Balanset-1A

~23%

定子故障

~10%

轉子缺陷

~41%

軸承劣化

~26%

外部因素

1. 振動分析師的電氣基礎知識

在從振動頻譜診斷馬達缺陷之前，了解驅動馬達振動的主要電氣頻率至關重要。

1.1. 線頻 (LF)

交流電源頻率： 50 Hz 在歐洲、亞洲、非洲和俄羅斯的大部分地區； 60 Hz 在北美洲以及南美洲和亞洲的部分地區。馬達中的所有電磁力均由此頻率衍生而來。

1.2. 兩倍線頻 (2×LF)

交流馬達中的主導電磁力頻率 在 50 Hz 系統中，2×LF = 100 Hz；在 60 Hz 系統中，2×LF = 120 Hz。定子和轉子之間的磁吸引力在每個電氣週期內達到兩次峰值，使得 2×LF 成為每台交流馬達的基本「電氣振動」頻率。

2×LF = 2 × f_電源 = 100 Hz (50 Hz 系統) | 120 Hz (60 Hz 系統)

1.3. 同步轉速與轉差率

定子磁場以同步轉速旋轉：

N_s = 120 × f_電源 / P (RPM)

其中 P 是極數。感應馬達的轉子轉速總是略慢。此差值為 轉差率:

s = (N_s − N) / N_s

標準感應馬達的典型滿載轉差率： 1–5%。對於 50 Hz 的 2 極馬達：N_s = 3000 RPM，實際轉速約為 2940–2970 RPM。

1.4. 極通過頻率 (F_p)

轉子極「滑過」定子極的速率。結果為通用 — 與極數無關：

F_p = 2 × s × f_電源 = 2 × f_s — 與極數 P 無關

對於轉差率為 2% 且在 50 Hz 下運轉的馬達：F_p = 2 × 0.02 × 50 = 2 Hz。此頻率會作為斷裂轉子條的典型邊帶出現在頻譜中。

1.5. 轉子條通過頻率

f_RBPF = R × f_rot

其中 R 為轉子條數量。當轉子條受損時，此頻率及其邊帶會變得顯著。

1.6. 關鍵頻率參考表

符號	名稱	公式	範例（50 Hz、2 極、2% 轉差率）
`LF`	Line frequency	f_電源	50 Hz
`2×LF`	兩倍電源頻率	2 × f_電源	100 Hz
`f_sync`	同步頻率	2 × f_電源 / P	50 Hz (P=2) \| 25 Hz (P=4)
`1X`	旋轉頻率	(1 − s) × f_sync	49 Hz (2940 RPM)
`F_p`	極通過頻率	2 × s × f_電源	2 Hz
`f_RBPF`	轉子條通過頻率	R × f_rot	16 × 49 = 784 Hz

重要注意事項

在 50 Hz 系統中， 2×LF = 100 Hz 與 2X ≈ 98 Hz （針對 2 極馬達）。這兩個峰值僅 相差 2 Hz。需要 ≤ 0.5 Hz 的頻率解析度才能將它們分開。請使用 4–8 秒或更長的記錄長度。將 2X 誤認為 2×LF 會導致根本性的錯誤診斷——將機械缺陷與電氣缺陷混淆。 這種接近性僅見於 2 極機器。對於 4 極：2X ≈ 49 Hz——與 2×LF = 100 Hz 明顯分開。

馬達橫截面：關鍵組件與氣隙

定子轉子繞組氣隙機械軸向任何氣隙變形都會直接改變磁拉力，進而立即改變振動模式。符號 ± 代表邊頻帶（調變）。

2. 診斷方法總覽

沒有任何單一技術能偵測所有馬達缺陷。穩健的診斷計畫需結合多種互補方法：

馬達診斷方法

振動MCSAESAMCA熱成像沒有單一方法能提供全面覆蓋。強烈建議採用綜合診斷方法。

2.1. 振動頻譜分析

大多數旋轉設備診斷的主要工具。安裝在軸承座上的加速規可擷取頻譜，揭示機械缺陷（不平衡、不對心、軸承磨損）及部分電氣缺陷（氣隙不均、繞組鬆動）。然而， 僅靠振動分析無法偵測所有馬達電氣故障.

2.2. 馬達電流特徵分析 (MCSA)

將電流鉗表夾在一相上即可擷取電流頻譜。斷裂的轉子導條會在 LF ± F_p處產生邊帶。MCSA 為線上執行，且完全無侵入性。

2.3. 電氣特徵分析 (ESA)

在電機控制中心 (MCC) 同時分析電壓與電流頻譜。可偵測供電電壓不對稱、諧波失真及電能品質問題。

2.4. 馬達電路分析 (MCA)

一個離線測試，測量相間電阻、電感、阻抗及絕緣電阻。在維護停機期間至關重要。

2.5. 溫度監測

定轉子繞組溫度與軸承溫度的趨勢分析，可提供過載、冷卻問題及絕緣劣化的早期預警。

實務方法。 為建立全面的馬達診斷計畫，至少應結合：(1) 振動頻譜分析、(2) 搭配電流鉗表的 MCSA，以及 (3) 定期與電氣工程師及馬達維修人員溝通——他們的實務經驗往往能揭示單靠儀器無法提供的關鍵背景資訊。

3. 定子缺陷

定轉子缺陷約佔所有馬達故障的 23–37%。定轉子為靜止部分，包含疊片鐵芯與繞組。缺陷主要會在 2×LF (100 Hz / 120 Hz) 及其倍頻處產生振動。

3.1. 定轉子偏心 — 氣隙不均

轉子與定轉子之間的气隙通常為 0.25–2 mm。即使僅有 10% 的變化，也會產生可測量的電磁力不平衡。

成因

軟腳 — 最常見的成因
磨損或損壞的軸承座
不當運輸或安裝導致的機殼變形
運轉條件下的熱變形
製造公差不良

頻譜特徵

徑向速度頻譜中通常以 2×LF 為主 在徑向速度頻譜中
常伴隨 1X 與 2X 由於不平衡磁拉力 (UMP)
靜態偏心：2×LF 主導，調變極小
動態分量：邊頻位於 2×LF ± 1X 可能出現

頻譜：顯著 2×LF + 次要 1X 與 2X 增加（徑向方向）

嚴重度評估

2×LF 振幅（速度 RMS）	評估
< 1 mm/s	大多數馬達屬正常
1–3 mm/s	監控 — 檢查軟腳、軸承游隙
3–6 mm/s	警示 — 調查並規劃校正
> 6 mm/s	危險 — 需立即採取行動

注意：這些僅為說明性指引，非正式標準。請務必與機器自身的基線進行比較。

確認測試

斷電測試 （瞬斷測試）：在監控振動時，切斷馬達電源。若 2×LF 峰值 急劇下降 — 在數秒內，遠快於機械惰轉降速 — 則來源為電磁效應。

重要

勿將定轉子偏心與不對心混淆。兩者皆可能導致 2X 升高。關鍵在於：精確位於 100.00 Hz 的 2×LF 屬電氣特性；2X 則跟隨轉子轉速，若轉速改變亦會偏移。請確保頻率解析度 ≤ 0.5 Hz。

3.2. 鬆動的定轉子繞組

定轉子繞組在每個運轉週期中皆承受 2×LF 的電磁力。隨著時間推移，機械固定結構（環氧樹脂、清漆、楔塊）可能劣化。鬆動的繞組會以 2×LF 振動且振幅逐漸增大，並透過微動磨損加速絕緣層磨耗。

頻譜特徵

偏高 2×LF — 通常隨時間增加（趨勢分析）

主要為徑向振動
2×LF 可能較不穩定 — 振幅輕微波動
嚴重案例：出現 4×LF、6×LF 諧波

後果

此現象 對繞組絕緣具破壞性 — 會導致加速劣化、不可預測的接地故障，以及需重新繞線的定轉子完全失效。

3.3. 鬆動的電源電纜 — 相位不對稱

接觸不良會造成電阻不對稱。即使 1% 電壓不對稱 也會導致約 6–10% 電流不對稱。不平衡電流會產生反向旋轉的磁場分量。

頻譜特徵

偏高 2×LF — 相位不對稱的主要指標

因不平衡磁拉力導致 2×LF 振幅增加
在某些情況下， ±⅓×LF 附近的邊頻 （在 50 Hz 系統中約為 16.7 Hz）圍繞 2×LF 峰值
在目前頻譜（MCSA）中：負序電流升高

實務檢查

檢查所有電纜終端、母排連接、接觸器接點
測量相間電阻 — 彼此誤差應在 1% 以內
測量三相供電電壓 — 不對稱度不應超過 1%
電纜終端盒紅外線熱成像

3.4. 定子疊片短路

疊片間絕緣損壞會導致渦流循環，產生局部熱點。在振動頻譜中不一定能偵測到 — 紅外線熱成像是主要偵測方法。離線：電磁鐵芯測試（EL-CID 測試）。

3.5. 匝間短路

匝間短路會產生局部循環電流迴路，減少受影響線圈的有效匝數。導致 2×LF、電流中 LF 的 3 次諧波升高，以及相電流不對稱。離線時透過 MCA 突波測試最能偵測。

定子缺陷 — 頻譜特徵摘要

2×LF1X / 2X邊帶斷電測試可確認電磁起源：若 2×LF 在斷電後急劇下降（遠快於惰轉降速），則來源為電磁干擾。

4. 轉子缺陷

轉子缺陷約佔 5–10% 的馬達故障 但往往是最難早期偵測的。

4.1. 斷裂轉子導條與裂紋端環

當導條斷裂時，電流重新分佈會產生局部磁場不對稱——實質上形成一個「磁重點」，相對於定子磁場以轉差頻率旋轉。

振動特徵

1X 峰值伴隨 邊頻位於 ± F_p。對於 50 Hz / 2% 轉差率：邊頻位於 1X ± 2 Hz
嚴重情況：額外邊頻位於 ± 2F_p，± 3F_p
2×LF 也可能顯示 F_p 邊頻帶

MCSA 特徵

電流頻譜： LF ± F_p （50 ± 2 Hz = 48 Hz 與 52 Hz）

MCSA 嚴重度等級

邊頻相對於 LF 峰值的電平	評估
< −54 dB	轉子通常健康
−54 至 −48 dB	可能表示 1–2 根導條裂紋——監控趨勢
−48 至 −40 dB	可能多根導條斷裂——規劃檢修
> −40 dB	嚴重損壞——有二次故障風險

重要：MCSA 需要接近額定條件的穩定負載。在部分負載下，邊頻振幅會下降。

時間波形

斷裂轉子導條會產生特徵性的 「拍頻」模式 ——振幅以極通過頻率調變。通常在頻譜邊頻顯著之前即可見。

斷裂轉子導條——振動與電流頻譜模式

1X±Fp 邊頻MCSA 邊頻斷條缺陷最適合透過 MCSA 確認。振動頻譜可提示缺陷；MCSA 則提供定量嚴重度評估。

4.2. 轉子偏心（靜態與動態）

靜態偏心

軸中心線相對於定子內孔偏移。產生升高的 2×LF。在電流中：轉子槽諧波位於 f_RBPF ± LF.

動態偏心

轉子中心繞定子內孔中心軌跡運轉。產生 1X 伴隨 2×LF 邊頻 及升高的轉子條通過頻率。在電流中：邊頻位於 LF ± f_rot.

實務上，這兩種類型通常同時存在——模式為疊加結果。

4.3. 熱轉子彎曲

大型馬達可能產生溫度梯度，導致暫時性彎曲。產生 隨時間變化的 1X 啟動後——通常在前 15–60 分鐘內增加，隨後穩定。彎曲發展時相位角會漂移。透過監測啟動後 30–60 分鐘內的 1X 振幅與相位，可與機械不平衡（穩定）區分。

4.4. 電磁場位移（軸向偏移）

若轉子 軸向位移 相對於定子，電磁場分佈在軸向上變得不對稱。轉子會受到一個振盪的 2×LF 軸向電磁力.

成因

組裝期間或更換軸承後轉子軸向定位不正確
軸承磨損導致軸向游隙過大
被驅動機組產生的軸向推力
運轉期間的熱膨脹

軸向 2×LF （主導）& 升高 1X — 主要出現在 軸向方向

嚴重缺陷

此缺陷可能 對軸承造成極大破壞。2×LF 的振盪軸向力會在推力面上產生循環疲勞負荷。 務必標記磁中心位置，並在更換軸承時加以確認。 這是最具破壞性卻也最可預防的馬達缺陷之一。

電磁場位移 — 轉子軸向偏移

軸向電磁力偏移 / 懸伸定子中心線偵測斷電後瞬間消失的軸向 2×LF 是區別於機械原因的关键特徵。

5. 軸承相關電氣缺陷

5.1. 軸承電流與 EDM

軸與軸承座之間的電壓會導致電流流經軸承。來源：磁場不對稱、VFD 共模電壓、靜電。重複放電會產生微觀凹坑（電火花加工）導致 溝槽化 — 滾道上間距均勻的溝槽。

頻譜特徵

軸承缺陷頻率（BPFO、BPFI、BSF）具有非常均勻、"乾淨"的峰值
加速規頻譜中升高的高頻噪聲底
進階：特徵性的"搓衣板"聲

預防

絕緣軸承（塗層套圈）
軸接地電刷（特別適用於 VFD 應用）
VFD 輸出端的共模濾波器
定期軸電壓測量 — 低於 0.5 V 峰值

6. 變頻器（VFD）效應

6.1. 頻率偏移

所有馬達電氣頻率會隨 VFD 輸出頻率成比例偏移。若 VFD 運轉於 45 Hz，2×LF 將變為 90 Hz。警報頻帶必須 隨轉速適應.

6.2. PWM 諧波

開關頻率（2–16 kHz）與邊帶會出現在頻譜中。可能導致可聽噪聲與軸承電流。

6.3. 扭轉激振

低次諧波（5 次、7 次、11 次、13 次）會產生扭矩脈動，可能激發扭轉自然頻率。

6.4. 共振激振

當 VFD 掃過轉速範圍時，激振頻率可能通過結構自然頻率。應為 VFD 驅動設備建立臨界轉速圖。

7. 差異診斷摘要

Defect	主要頻率	方向	邊帶 / 備註	確認
定子偏心	2×LF	徑向	1X、2X 輕微增加	斷電測試；軟腳檢查
繞組鬆動	2×LF	徑向	上升趨勢；4×LF、6×LF	趨勢分析；MCA 突波測試
電纜鬆動	2×LF	徑向	± ⅓×LF 邊帶	相電阻；紅外線熱成像
匝間短路	2×LF	徑向	電流不對稱；3 次諧波	MCA 突波測試；MCSA
矽鋼片短路	微弱 2×LF	—	主要為熱效應	紅外線熱成像；EL-CID
轉子斷條	1X	徑向	± F_p 邊帶；拍頻	MCSA：LF ± F_p dB 級別
轉子偏心（靜態）	2×LF	徑向	轉子槽諧波 ± LF	氣隙測量；MCSA
轉子偏心（動態）	1X + 2×LF	徑向	f_RBPF 邊頻帶	軌跡分析；MCSA
熱轉子彎曲	1X（漂移）	徑向	振幅與相位隨溫度變化	啟動後 30-60 分鐘趨勢監測
電磁場位移	2×LF + 1X	軸向	強烈軸向 2×LF	轉子軸向位置；斷電測試
軸承 EDM / 溝槽磨損	BPFO / BPFI	徑向	均勻峰值；高頻雜訊	軸電壓；目視檢查

馬達故障診斷流程圖

電氣機械2×LF 分析轉子缺陷斷電瞬態測試是診斷流程的第一個分支。一旦確認電氣來源，主導頻率與方向即可縮小診斷範圍。

8. 儀器與測量技術

8.1. 振動測量要求

參數	要求	原因
頻率解析度	≤ 0.5 Hz（建議 0.125 Hz）	區分 2X 與 2×LF（2 極機間隔 2 Hz）
頻率範圍	2–1000 Hz（速度）；最高 10 kHz（加速度）	1X、2×LF 用低量程；軸承用高量程
通道	≥ 2 通道同步	交叉相位分析
相位測量	0–360°，±2°	對缺陷鑑別至關重要
時間波形	同步平均	偵測斷條引起的拍頻
電流輸入	相容電流鉤表	用於 MCSA 診斷

8.2. Balanset-1A 用於馬達診斷

便攜式雙通道振動儀 Balanset-1A （VibroMera）提供馬達振動診斷的核心功能：

振動通道2（同時）

轉速範圍250–90,000 RPM

振動速度 RMS0–80 mm/s

相位精度0–360°，±2°

FFT 頻譜分析支援

相位感測器光電式，內含

電源供應USB（7–20 V）

動平衡校正1 或 2 平面現場校正

診斷並修正馬達缺陷後，Balanset-1A 可用於 現場轉子動平衡校正 — 無需拆卸馬達即可完成從診斷到校正的完整流程。

8.3. 測量最佳實務

三個方向 — 垂直、水平與軸向 — 針對每個軸承。軸向對於電磁場位移至關重要
準備表面 — 去除油漆與鏽跡，以確保加速規可靠耦合
穩態條件 — 額定轉速、負載、溫度
記錄運轉條件 — 每次測量時記錄轉速、負載、電壓、電流
一致的計時 — 趨勢比較時保持相同條件
斷電測試 當懷疑存在電氣振動時 — 僅需數秒，即可提供可靠的來源識別

9. 規範性參考文件

GOST R ISO 20816-1-2021 — 振動。機械振動測量與評估。第 1 部分：一般指南。
GOST R ISO 18436-2-2005 — 狀態監測。振動狀態監測。第 2 部分：培訓與認證。
ISO 20816-1:2016 — 機械振動。測量與評估。第 1 部分：一般指南。
ISO 10816-3:2009 — 機器振動評估。第 3 部分：工業機器 >15 kW。
IEC 60034-14:2018 — 旋轉電機。第 14 部分：機械振動。
IEEE 43-2013 — 測試絕緣電阻的推薦實務。
IEEE 1415-2006 — 感應機械維護測試指南。
NEMA MG 1-2021 — 馬達與發電機。振動限值與測試。
ISO 1940-1:2003 — 轉子平衡品質要求。

10. 結論

關鍵診斷原則

電機缺陷會在振動與電流頻譜中留下特徵指紋 — 但前提是你知道該看哪裡，且工具配置正確。

2×LF 是主要的電磁指標。 在正好兩倍供電頻率處出現顯著峰值，強烈暗示電磁來源。斷電測試可提供確認。
方向很重要。 徑向 2×LF → 氣隙 / 繞組 / 供電。軸向 2×LF + 1X → 電磁場位移 — 最具破壞性的缺陷之一。
邊帶訴說故事。 ± ⅓×LF → 供電電纜問題。± F_p → 轉子斷條。邊帶模式通常比主峰值更具診斷價值。
頻率解析度至關重要。 對於 50 Hz 的 2 極馬達，2X 與 2×LF 僅相差約 2 Hz。解析度 ≤ 0.5 Hz 為強制要求。
結合多種方法。 振動 + MCSA + MCA + 熱成像。單一方法無法涵蓋所有缺陷。
與電氣工程師溝通。 馬達維修人員擁有關於特定馬達、其歷史與供電條件的不可替代知識。