光谱振动分析

电机缺陷:综合频谱分析

电动机大约消耗 45% 所有工业电力 全球范围内。根据EPRI的研究,故障分布情况如下: ~23% 定子故障, ~10%转子缺陷, ~41%轴承退化, 和 ~26% 外部因素. 许多此类故障模式会在振动频谱中留下明显的特征——远在灾难性故障发生之前。.

本文全面介绍了通过频谱振动分析和互补技术(MCSA、ESA 和 MCA)识别电机缺陷的方法。.

阅读时间:25分钟 ISO 20816 · IEC 60034 · IEEE 1415 Balanset-1A
~23%
定子故障
~10%
转子缺陷
~41%
承载能力下降
~26%
外部因素

1. 振动分析电气基础知识

在通过振动频谱诊断电机故障之前,必须了解驱动电机振动的关键电频率。.

1.1. 线路频率 (LF)

交流电源频率: 50赫兹 在欧洲、亚洲、非洲和俄罗斯的大部分地区;; 60赫兹 在北美、南美部分地区和亚洲,电机中的所有电磁力都源自这个频率。.

1.2. 两倍线路频率 (2×LF)

"(《世界人权宣言》) 主导电磁力频率 在交流电机中。在 50 Hz 系统中,2×LF = 100赫兹; 在 60 Hz 系统中,2×LF = 120 赫兹. 定子和转子之间的磁吸引力在每个电周期内达到两次峰值,使得 2×LF 成为每台交流电机的基本"电振动"频率。.

2×LF = 2 × f线 = 100 Hz(50 Hz 系统)| 120 Hz(60 Hz 系统)

1.3 同步速度和滑差

定子磁场以同步速度旋转:

s = 120 × f线 / P(转/分)

其中 P 是极数。感应电机的转子转速总是略慢一些。这种差异是 :

s = (Ns − N) / Ns

标准感应电机的典型满载滑差: 1–5%. 对于一台 50 Hz 的 2 极电机:Ns = 3000 RPM,实际转速 ≈ 2940–2970 RPM。.

1.4. 极点通过频率 (F)p)

转子磁极"滑过"定子磁极的速率。结果是: 普遍的 — 与极点数量无关:

Fp = 2 × s × f线 = 2 × fs  — 与极数 P 无关

对于一台运行频率为 50 Hz、滑差率为 2% 的电机:Fp = 2 × 0.02 × 50 = 2赫兹. 该频率在断裂转子条的频谱中表现为特征边带。.

1.5.转子棒通过频率

fRBPF = R × f腐烂

其中 R 为转子条的数量。当转子条损坏时,该频率及其边带会变得显著。.

1.6. 关键频率参考表

象征名称公式示例(50 Hz,2 极,2% 滑差)
低频线路频率f线50赫兹
2×LF两倍线路频率2 × f线100赫兹
f同步同步频率2 × f线 / P50 Hz (P=2) | 25 Hz (P=4)
1倍旋转频率(1 − s) × f同步49赫兹(2940转/分)
F p极点通过频率2 × s × f线2赫兹
f RBPF转子条通过频率。.R × f腐烂16 × 49 = 784 赫兹
重要提示

在 50 Hz 系统中,, 2×LF = 100 Hz2X ≈ 98 Hz (对于2极电机而言)。这两个峰值仅 相隔 2 Hz. 光谱分辨率 ≤ 0.5 Hz 需要将它们分开。使用 记录长度为 4–8 秒或更长. 将 2X 误判为 2×LF 会导致根本性的错误诊断——将机械故障与电气故障混淆。. 这种接近性仅适用于两极电机。对于四极电机:2X ≈ 49 Hz — 与 2×LF = 100 Hz 明显分离。.

电机横截面:关键部件和气隙
定子 绕线槽 气隙 (典型值:0.25 – 2 毫米) (关键参数) 转子 转子条(如图所示:16) 载流感应电流 定子孔 (层压芯材) 关键频率 ▸ 定子 → 2×LF ▸ 气隙 → 2×LF ± 1X ▸ 断条 → 1X ± Fp MCSA:LF ± Fp ▸ 横杆传递 → R × 摩擦 机械式 → 1X、2X、nX ▸ 轴向位移 → 2×LF ± 1X(轴向) 50 Hz 时:2×LF = 100 Hz ± = 边带(调制) 示意图——未按比例绘制。实际槽/条数量取决于电机设计。.

定子转子绕线气隙机械的轴向 任何气隙畸变都会直接改变磁力,从而立即改变振动模式。符号±表示边带(调制)。.

2. 诊断方法概述

没有一种单一技术可以检测出所有电机故障。一个完善的诊断程序需要结合多种互补的方法:

电机诊断方法
电的 发动机 1. 振动分析 频谱和时域波形 1X、2X、2×LF、谐波 ✓ 机械 + 部分电气 ✗ 无法检测到所有电气故障 2. MCSA 电机电流特征 分析——电流钳 ✓ 转子条断裂,偏心 ✓ 在线、非侵入式 3. 欧洲航天局 电特征分析 电压+电流频谱 ✓ 供货质量,定子故障 ✓ 在线,在 MCC 4. MCA 电机电路分析 阻抗,电阻 ✓ 绝缘,转对转短路 ✗ 仅限离线使用(电机停止运转) 5. 热成像 定子温度+轴承温度监测

振动MCSA欧洲航天局MCA热成像 没有一种单一方法能够提供全面的诊断。强烈建议采用联合诊断方法。.

2.1 振动光谱分析

加速度计是大多数旋转设备诊断的主要工具。安装在轴承座上的加速度计可以采集频谱,揭示机械缺陷(不平衡、不对中、轴承磨损)和一些电气缺陷(气隙不均匀、绕组松动)。然而,, 单凭振动分析无法检测出所有电机电气故障。.

2.2. 电机电流特征分析(MCSA)

对其中一相施加电流钳位可以捕获电流频谱。断裂的转子条会在转子上产生边带。 LF ± F p. MCSA 可在线进行,且完全无创。.

2.3. 电特征分析(ESA)

在MCC处同时分析电压和电流频谱。检测电源电压不对称、谐波失真和电能质量问题。.

2.4. 电机电路分析(MCA)

一个 离线 测试测量相间电阻、电感、阻抗和绝缘电阻。维护停机期间必不可少。.

2.5 温度监测

定子绕组温度和轴承温度趋势可以及早预警过载、冷却问题和绝缘劣化。.

务实的方法。. 对于全面的电机诊断程序,至少应结合以下几点:(1)振动频谱分析,(2)带电流钳的 MCSA,以及(3)与电工和电机维修人员的定期交流——他们的实践经验往往揭示出仪器本身无法提供的关键背景信息。.

3. 定子缺陷

定子缺陷大约造成故障 23–37% 所有电机故障. 定子是包含叠片铁芯和绕组的固定部件。缺陷主要导致振动发生在定子上。 2×LF(100 Hz / 120 Hz) 及其倍数。.

3.1. 定子偏心率——不均匀气隙

转子和定子之间的气隙通常为 0.25–2 毫米. 即使是 10% 的变体也会产生可测量的电磁力不平衡。.

原因

  • 软脚 — 最常见的原因
  • 磨损或损坏的轴承座
  • 运输或安装不当造成的框架变形
  • 工作条件下的热变形
  • 制造公差较大

光谱特征

  • 通常占主导地位的 2×LF 在径向速度谱中
  • 通常伴有轻微的增加 1倍2倍 由于不平衡磁力(UMP)
  • 静态偏心率:2×LF 占主导地位,调制较小。
  • 动态分量:边带 2×LF ± 1X 可能出现
光谱:突出 2×LF +次要 1倍2倍 增加(径向方向)

严重程度评估

2×LF振幅(速度RMS)评估
< 1 毫米/秒对于大多数电机来说,这属于正常现象。
1–3 毫米/秒监控——检查软脚、轴承间隙
3–6 毫米/秒提高警惕——调查并制定纠正措施。
> 6 毫米/秒危险——需立即采取行动

注:这些仅为示例性指导原则,并非正式标准。务必与机器自身的基准值进行比较。.

确认测试

断电测试 (瞬时测试):在监测振动的同时,断开电机电源。如果振动峰值达到 2 倍低频,则说明振动异常。 急剧下降 ——只需几秒钟,比机械滑行快得多——来源是电磁波。.

重要的

不要将定子偏心与不对中混淆。两者都会导致 2X 噪声升高。关键在于:100.00 Hz 处的 2×LF 噪声是电噪声;2X 噪声会随转子转速变化而变化。确保频谱分辨率 ≤ 0.5 Hz。.

3.2. 松散的定子绕组

定子绕组在每个运行周期中都会受到频率为2倍低频的电磁力作用。多年后,机械固定(环氧树脂、清漆、楔块)可能会失效。松动的绕组会以2倍低频振动,振幅逐渐增大,从而加速绝缘层因微动磨损而造成的损耗。.

光谱特征

升高 2×LF — 通常随着时间的推移而增加(趋势)
  • 主要为径向振动
  • 2×LF可能稳定性较差——振幅略有波动
  • 严重情况:4×LF、6×LF处的谐波

结果

这是 对绕组绝缘具有破坏性 — 导致加速劣化、不可预测的接地故障,以及定子完全失效,需要重新绕线。.

3.3. 电源线松动——相位不对称

接触不良会导致电阻不对称。即使 1% 电压不对称 大约 6–10% 电流不对称. 不平衡电流会产生向后旋转的磁场分量。.

光谱特征

升高 2×LF — 相位不对称的主要指标
  • 由于磁力不平衡,低频振幅增加 2 倍。
  • 在某些情况下,, 接近±⅓×LF的边带 (在 50 Hz 系统中约为 16.7 Hz)在 2×LF 峰值附近
  • 在当前频谱(MCSA)中:负序电流升高

实际检查

  • 检查所有电缆端接、母线连接和接触器触点。
  • 测量相间电阻——彼此相差在 1% 以内
  • 测量三相供电电压——不对称值不应超过 1%
  • 电缆终端盒的红外热成像

3.4. 定子叠片短路

层间绝缘层的损坏会导致涡流循环,从而形成局部热点。这种现象并非总能在振动频谱中检测到。 红外热成像技术是主要的检测方法。. 离线:电磁芯测试(EL-CID 测试)。.

3.5.匝间短路

匝间短路会形成局部环路,减少受影响线圈的有效匝数,从而导致电流增大。 2×LF, 电流中低频三次谐波升高,以及相电流不对称。最好通过离线MCA浪涌测试检测。.

定子缺陷——频谱特征概述
传奇 2×LF峰值(100 Hz)— 电信号 1X / 2X 峰值 — 机械 边带(调制) A. 定子偏心/气隙不均匀(§3.1) 振幅 1倍 2倍 2×LF 49赫兹 98 100赫兹 2赫兹的差距! (需要≤0.5 Hz 的共振频率) 2×LF显性 径向 断电后消失 B. 电源线松动/相位不对称(§3.3) 振幅 83赫兹 2×LF 117 赫兹 −⅓LF +⅓LF ± ⅓×LF 边带 (16.7 Hz) 83赫兹 100 Hz (2×LF) 117 赫兹 2×LF升高 相位电阻不对称性 导致磁场向后旋转 查看: • 电缆终端 • 相间 R • 红外热成像

2×LF1X / 2X边带 断电测试证实了电磁起源:如果断电时 2×LF 急剧下降(比平稳下降快得多),则来源是电磁的。.

4. 转子缺陷

转子缺陷约占 5–10% 电机故障 但往往最难早期发现。.

4.1. 转子条断裂和端环开裂

当磁棒断裂时,电流重新分布会产生局部磁不对称——实际上就是一个"磁重点",它相对于定子磁场以滑移频率旋转。.

振动特征

  • 1倍 峰值 ±F处的边带p. 对于 50 Hz / 2% 滑差:边带位于 1X ± 2 Hz
  • 严重病例:± 2F 处有额外的侧带p, ,±3Fp
  • 2×LF 也可能显示 Fp 边带

MCSA 签名

当前频谱: 低频±频率p   (50 ± 2 Hz = 48 Hz 和 52 Hz)

MCSA严重程度评分

边带电平与低频峰值评估
< −54 分贝转子总体健康
−54 至 −48 分贝可能表明有 1-2 根裂纹钢筋——监测趋势
−48 至 −40 分贝可能有多根钢筋断裂——图纸检查
> −40 分贝严重损坏——存在二次故障风险

重要提示:MCSA 测试需要在接近额定工况的稳定负载下进行。在部分负载下,边带幅度会下降。.

时间波形

断裂的转子条会产生一种特征 "搏动"模式 — 在极点通频处出现幅度调制。通常在频谱边带变得明显之前即可观察到。.

转子断条——振动和电流频谱模式
振动光谱 (速度,径向方向) 振幅 −2Fp 1X−Fp 1倍 1X+Fp +2Fp ± Fp(极点通过频率) 振动模式 • 1X = 载波(旋转频率) • ±Fp 边带 = 转子不对称 • 更多边带 = 更多条形码 • 时间波形中的"拍动" 例如:50 Hz,2 极,2% 滑差 1X = 49 Hz,Fp = 2 Hz 边带:47 Hz 和 51 Hz 电流频谱(MCSA) (通过钳形表供电) 振幅(dB) 48赫兹LF − Fp 50赫兹低频 52赫兹LF + Fp ± Fp = ± 2 Hz 边带 MCSA严重程度评分 (边带幅度与低频峰值) < −54 dB — 健康转子 −54 至 −48 分贝——怀疑信号强度为 1-2 格 −48 至 −40 分贝——可能是多个 > −40 dB — 严重(需安排维修) 额定负载下的经验法则

1倍±Fp 边带MCSA 边带 转子断条的最佳确认方法是使用MCSA(振动控制分析)。振动频谱可以提示缺陷;MCSA则提供定量的严重程度评估。.

4.2.转子偏心率(静态和动态)

静态偏心率

轴中心线偏离定子孔。产生抬升 2×LF. 当前转子槽谐波 fRBPF ± 低频.

动态偏心率

转子中心绕定子孔中心旋转。产生 1X 带 2×LF 边带 并提高了转子条的通过频率。电流中:边带位于 低频±频率腐烂.

实际上,这两种类型通常同时存在——这种模式是叠加的。.

4.3. 热转子弓

大型电机可能会产生温度梯度,导致暂时性弯曲。 1X,随时间变化 启动后,相位角通常会在 15 至 60 分钟内逐渐增大,然后趋于稳定。随着弓形的形成,相位角会发生漂移。可通过在启动后 30 至 60 分钟内监测 1 倍振幅和相位来将其与机械不平衡(机械不平衡是稳定的)区分开来。.

4.4 电磁场位移(轴向位移)

如果转子是 轴向位移 相对于定子,电磁场分布在轴向上变得不对称。转子经历振荡。 2×LF处的轴向电磁力.

原因

  • 装配过程中或轴承更换后转子轴向定位不正确
  • 轴承磨损导致轴向间隙过大
  • 来自驱动机械的轴推力
  • 运行过程中的热膨胀
轴向 2×LF (占主导地位)且升高 1倍 — 主要在 轴向
关键缺陷

这种缺陷可能是 对轴承具有极强的破坏性. 2×LF 处的振荡轴向力会在推力面上产生循环疲劳载荷。. 更换轴承时,务必标记磁中心位置并进行核实。. 这是最具破坏性但又最容易预防的发动机故障之一。.

电磁场位移——转子轴向位移
正常:转子居中 定子叠片 转子 定子电流损耗 = 转子电流损耗 平等的 平等的 ✓ 平衡的轴向电磁力 轴向振动极小 磁中心 = 合轴向力 ≈ 0 缺陷:转子轴向偏移 定子叠片 转子 定子CL 转子 CL Δx(轴向位移) 转子延伸 定子之外 F轴向位于2×LF处 ✗ 提升轴向 2×LF 和 1X 会加速推力轴承磨损 严重程度取决于偏移幅度 如何检测和确认: ✓ 组装过程中标记磁中心 ✓ 更换轴承后检查位置 ✓ 在 2×LF 处测量轴向振动 ✓ 断电测试:2×LF 瞬间消失 ✓ 比较滑行方式:电动滑行与机械滑行: ✓ 检查推力轴承温度。. 排除(类似症状): • 耦合角度偏差(轴向 1X 和 2X) • 轴向结构共振 • 足部柔软/松弛(轴向分量) • 流动引起的轴向载荷(泵、风扇) • 供电电压不平衡 • 径向偏心率(→ 2×LF 径向) 示意性轴向侧视图——未按比例绘制。.

轴向电磁力移位/悬垂定子CL检测 断电后瞬间消失的轴向 2×LF 是与机械原因的关键区别。.

5. 轴承相关电气缺陷

5.1 轴承电流和电火花加工

轴与壳体之间的电压会导致电流流过轴承。电压来源:磁不对称、变频器共模电压、静电荷。反复放电会形成微小的凹坑(电火花加工导致 凹槽 — 赛道上均匀分布的凹槽。.

光谱特征

  • 轴承缺陷频率(BPFO、BPFI、BSF)具有非常均匀、"干净"的峰值
  • 加速度频谱中高频噪声基底升高
  • 高级:具有特色的"搓衣板"音效

预防

  • 绝缘轴承(涂层环)
  • 轴接地电刷(尤其适用于变频器应用)
  • VFD输出端的共模滤波器
  • 常规轴电压测量——峰值低于 0.5 V

6. 变频驱动(VFD)的影响

6.1. 频率偏移

所有电机的电频率都与变频器的输出频率成比例变化。如果变频器以 45 Hz 的频率运行,则 2×LF 变为 90 Hz。报警频段必须…… 速度自适应.

6.2 PWM谐波

频谱中会出现开关频率(2–16 kHz)和边带。这可能导致可听噪声和轴承电流。.

6.3 扭转激励

低次谐波(5次、7次、11次、13次)产生扭矩脉动,可激发扭转固有频率。.

6.4 共振激发

当变频器在一定转速范围内运行时,激励频率可能会超过结构的固有频率。因此,应为变频器驱动的设备建立临界转速图。.

7. 鉴别诊断概要

缺点主要频率.方向边带/注释确认
定子偏心率2×LF径向小幅增长 1 倍、2 倍断电测试;软脚检查
松散的线圈2×LF径向呈上升趋势;4×LF,6×LF热点;MCA 浪涌测试
松动的电缆2×LF径向± ⅓×LF 边带相位电阻;红外热成像
回合间短2×LF径向电流不对称;三次谐波MCA浪涌测试;MCSA
短路层压次要 2×LF主要为热能红外热成像;EL-CID
转子条断裂1倍径向± Fp 边带;击打MCSA:LF ± Fp 分贝值
转子偏心率(静态)2×LF径向转子槽谐波±低频气隙测量;MCSA
转子偏心率(动态)1X + 2×LF径向fRBPF 边带轨道分析;MCSA
热转子弓1X(漂移)径向电流和相位随温度变化。.30-60分钟启动趋势
电磁场位移2×LF + 1X轴向强轴向 2×LF转子轴向位置;断电测试
轴承电火花加工/开槽BPFO / BPFI径向均匀峰值;高高频噪声轴电压;目视检查
电机故障诊断流程图
电机振动增强 关机 快照测试? 立即掉落 电气 消息来源证实 主导的 频率? 2×LF(径向): • 偏心率/气隙 • 松散绕组(趋势) • 电缆松动(+⅓LF频段) 电磁场位移 检查转子轴向位置! 转子条断裂 请向 MCSA 确认 逐渐衰败 机械的 消息来源证实 调查: • 失衡、错位 • 轴承缺陷,软足 始终结合以下测试:振动测试 + MCSA 测试 + 断电测试 + 趋势分析 分辨率提示:≤ 0.5 Hz 以区分 2X 和 2×LF。

电气机械的2×LF 分析转子缺陷 断电瞬时测试是诊断流程中的第一个分支。一旦确认了电气故障源,主要频率和方向即可缩小诊断范围。.

8. 仪器仪表与测量技术

8.1 振动测量要求

范围要求原因
光谱分辨率≤ 0.5 Hz(优选 0.125 Hz)将 2X 与 2×LF 分开(2 极天线相差 2 Hz)
频率范围2–1000 Hz(速度);最高 10 kHz(加速度)低速档适用于 1X、2×LF;高速档适用于轴承
频道≥ 2 个同时交叉相分析
相位测量0°–360°,±2°对缺陷区分至关重要
时域波形同步平均检测断条敲击声
当前输入电流钳兼容用于 MCSA 诊断

8.2. Balanset-1A 用于电机诊断

便携式双通道振动计 Balanset-1A VibroMera 提供电机振动诊断的核心功能:

振动通道2(同时)
速度范围250–90,000 转/分
振动速度均方根0–80 毫米/秒
相位精度0°–360°,±2°
快速傅里叶变换频谱分析支持
相位传感器光电元件,包括
电源USB(7–20 伏)
平衡1 或 2 个原位平面

在诊断并纠正运动缺陷后,Balanset-1A 可用于 原位转子平衡 — 无需拆卸电机即可完成从诊断到纠正的完整工作流程。.

8.3. 测量最佳实践

  • 三个方向 每个轴承上都有垂直、水平和轴向三个方向的位移。轴向位移对于电磁场位移至关重要。
  • 准备表面 — 去除油漆和锈迹,以确保加速度计可靠耦合
  • 稳态条件 —额定转速、负载、温度
  • 记录运行条件 每次测量均需包含速度、负载、电压和电流。
  • 时间安排一致 — 趋势比较的条件相同
  • 断电测试 当怀疑存在电气振动时——只需几秒钟,即可提供可靠的振动源识别。

9. 规范性参考资料

  • GOST R ISO 20816-1-2021 — 振动。机器振动的测量与评价。第 1 部分:一般准则。.
  • GOST R ISO 18436-2-2005 — 状态监测。振动状态监测。第二部分:培训和认证。.
  • ISO 20816-1:2016 — 机械振动。测量与评价。第 1 部分:一般准则。.
  • ISO 10816-3:2009 — 机器振动评估。第 3 部分:功率大于 15 kW 的工业机器。.
  • IEC 60034-14:2018 — 旋转电机。第 14 部分:机械振动。.
  • IEEE 43-2013 — 绝缘电阻测试的推荐方法。.
  • IEEE 1415-2006 — 感应机械维护测试指南。.
  • NEMA MG 1-2021 — 电机和发电机。振动极限和测试。.
  • ISO 1940-1:2003 — 平衡转子的质量要求。.

10. 结论

关键诊断原则

电机故障会在振动和电流频谱中留下特征性指纹——但这只有在你知道在哪里查找并且拥有正确配置的正确工具的情况下才能发现。.

  1. 2×LF 是主要的电磁指标。. 在电源频率两倍处出现的显著峰值强烈暗示存在电磁源。断电测试证实了这一点。.
  2. 方向很重要。. 径向 2×LF → 气隙 / 绕组 / 电源。. 轴向 2×LF + 1X → 电磁场位移——最具破坏性的缺陷之一。.
  3. 边带讲述着故事。. ± ⅓×LF → 电源线问题。± Fp → 转子条断裂。边带模式通常比主峰更具诊断意义。.
  4. 光谱分辨率至关重要。. 对于 50 Hz 的 2 极电机,2X 和 2×LF 的频率仅相差约 2 Hz。分辨率 ≤ 0.5 Hz 是必须的。.
  5. 结合多种方法。. 振动检测 + MCSA + MCA + 热成像。没有一种单一方法可以检测所有缺陷。.
  6. 跟电工谈谈。. 电机维修人员拥有关于特定电机、其历史和供应状况的不可替代的知识。.

推荐工作流程

1
振动测量
2
断电测试
3
光谱分析
4
MCSA(如果是转子)
5
正确与平衡
6
已验证 ✓
发动机诊断——推荐工作流程
1. 振动测量 3 个方向,所有轴承,≤0.5 Hz 共振。. 2. 断电快照测试 电源与机械源 3. 光谱分析 2×LF,1X,边带,方向 4. MCSA(如果怀疑是转子故障) 电流钳位,LF ± Fp 分析 5. 校正和平衡(Balanset-1A) 6. 验证测量 ✓ Balanset-1A 涵盖: ▸ 步骤 1、3 — 振动频谱 ▸ 第 5 步 — 磁场平衡 ▸ 第 6 步 — 验证

诊断步骤MCSA确认 请按以下步骤进行操作。断电测试(步骤 2)只需几秒钟,即可可靠地区分电气故障和机械故障。.

现代便携式双通道振动计,例如 Balanset-1A 使现场工程师能够以所需的分辨率和相位精度进行频谱振动分析,从而识别电机缺陷——从通过交叉相位分析检测不均匀气隙到后续的现场转子平衡。.


资料来源:现场振动诊断培训计划;GOST R ISO 20816-1-2021;GOST R ISO 18436-2-2005;IEC 60034-14:2018;IEEE 1415-2006;ISO 1940-1:2003;VibroMera 技术文档(Balanset-1A);EPRI 电机可靠性研究。.