了解电机故障
电机缺陷 电动机中出现的故障和失效模式——涵盖纯粹的机械问题（轴承失效、转子与定子接触、轴部问题）、电磁问题（转子导条断裂、定子绕组失效、气隙不规则）以及相互影响的机电综合问题。每类缺陷都会在机器上留下独特的特征印记 振动 以及电学特性，因此可以通过 振动分析，以及电机电流特征分析（MCSA）和热成像技术，从而在电机实际发生故障之前就发现问题。
电动机是任何工业设施中数量最多的设备之一，其故障占了计划外停机时间和维护成本的很大一部分。了解电动机的特定故障模式及其产生的频率，可使可靠性团队从被动更换转向计划性干预，从而避免灾难性故障，并最大限度地提高每台驱动装置的可靠性。
1. 电机缺陷的三大类别
将电机故障分为三类会很有帮助：所有旋转机械共有的故障、电磁系统特有的故障，以及将这两个领域结合在一起的混合型故障。
机械缺陷（所有旋转机械的共性）
- 不平衡: 转子质量不平衡，导致主要 1 倍运行速度 振动。
- 轴承故障: 这是最常见的电机故障，约占所有故障的一半。
- 错位: 电机与负载之间的耦合误差，通常表现为显著的2×分量。
- 机械松动: 安装脚、端盖或转子部件松动，通常会引发一系列谐波。
- 轴的问题： a 弯轴 或 转子裂纹 导致转子总成发生弯曲。
电磁缺陷（电机专用）
这些是齿轮箱或泵永远不会显现的故障——它们存在于转子笼、定子绕组以及二者之间的磁气隙中。
- 转子电气故障： 断裂的转子条 （鼠笼式转子中的导电条断裂，约占故障总数的10%至15%）、端环开裂（连接导电条的短路环发生断裂）、转子气孔（影响电气性能的铸造气孔）以及导电条与端环之间的高电阻连接处。
- 定子电气故障: 绕组绝缘击穿、匝间短路和相间短路（占故障总数的30%至40%）、绝缘层与机架之间发生接地故障，以及因热降解、机械应力或污染导致的线圈损坏。
- Air-gap issues: 一个 偏心转子 由于制造或磨损导致间隙不均匀， 摩擦 由于轴承故障或对中不良导致的转子与定子之间的接触，以及 磁力 — 由间隙不对称性引起的磁力不平衡。
综合机电故障
- 热问题： 因过载、通风不良或潜在的电气故障导致的过热。
- 通风问题： 散热风扇堵塞或损坏，导致绕组过热。
- 跨域耦合： 电气故障会引发机械振动，而机械故障又会扭曲磁路——二者相互加剧。
2. 主要故障的振动特征
振动诊断在电机检测中的优势在于，电磁故障通常出现在可预测的、与线路相关的频率上，而非单纯的轴转速整数倍。该 线路频率，极点数，以及 滑移频率 共同确定诊断峰的位置。
转子条断裂
这是最重要的电机专用缺陷之一，也是教科书式的典型案例，用于 侧边带 分析：
- 频率： 以 ±（极通过频率）间隔夹在工作转速两侧的边带 — 即 1× ± FP 图样，其中 FP = 极数 × 转差频率，在 60 Hz 电机上通常为几赫兹。
- 调幅： 电流和转矩会以极距通过频率脉动（即每单位转差的两倍 × 电源频率）。
- 负荷依赖性： 在负载作用下，边带会变得更加明显，因此在测量时应给电机施加负载。
- 进展： 随着更多导条断裂，边带振幅逐渐增大，这使得该缺陷成为 趋势分析.
定子问题
- 频率： 通常表现为两倍电源频率处的主导峰值——60 Hz 电源下为 120 Hz，50 Hz 电源下为 100 Hz。
- 原因： 由绕组故障造成的电磁力不对称。仅凭两倍电源频率峰值并不能下结论——电源不平衡和气隙偏心也会产生该峰，因此应通过相电流检查加以确认。
- 额外的： 还可能出现线频率的谐波。
- 电磁噪声： 振动时常伴随着一种频率为线频率两倍的可听见的嗡嗡声。
偏心转子（气隙变化）
- 频率： 在两倍电源频率和运行转速处出现峰值，其两侧伴随以 极点通过频率.
- 图案： 2×FL ± FP and 1× ± FP, where FP （极距通过频率）= 极数 × 转差频率。
- 磁不平衡： 即使转子在机械上已达到良好的平衡，不均匀的间隙仍会产生径向振动。
- 综合效果： 既包括机械因素（偏心本身），也包括电磁因素（气隙周围变化的磁阻）。
3. 检测方法
没有任何一种技术能够检测出所有的电机故障。最强大的程序会将互补的方法分层组合，这样，一种方法未能检测到的故障，就会由另一种方法标记出来。
振动分析
- 标准FFT： 一个 快速傅里叶变换 频谱 既解决了机械缺陷，也解决了电磁线频率的问题。
- 边带分析： 这对发现隐藏在1×峰值波形边缘处的转子条和气隙问题至关重要。
- 轴承频率： 包络分析 早早地透露 轴承故障频率 被更强大的组件所掩盖。
- 趋势： 通过追踪随时间变化的振幅，可以发现一个正在缓慢发展的故障。
电机电流特征分析（MCSA）
- 分析电机线电流的频谱，而非其振动。
- 无需在机器上安装任何振动传感器即可检测电气故障。
- 对转子条和定子绕组故障特别有效。
- 可在不影响生产的情况下在线完成。
- 是对振动分析的补充，而非替代。
热成像
- 红外热像仪显示了电机机架上的热点。
- 绕组故障表现为局部发热。
- 通风受阻的区域会显示为大片高温区域。
- 轴承问题会导致轴承座温度升高。
- 过载会导致整体温度升高。
电气测试
- 绝缘电阻： 兆欧表测试显示绕组绝缘性能恶化。
- 偏振指数： 一个反映整体绝缘状况的指标。
- Hipot testing: 在升压条件下验证绝缘完整性。
- 电流平衡： 测量各相的电流可揭示 电力不平衡 相位之间。
4. 故障统计数据与Balanset-1A的实际应用
了解每种故障模式的相对发生频率，有助于团队将监控工作聚焦于最具成效的领域：
- 轴承故障： 约占电机故障总数的50%。
- 定子绕组故障： 约30–35%。
- Rotor defects: 约10–15%。
- 外部因素： 剩余的约5%——污染、环境等因素。
由于一半的故障可追溯至轴承，且许多轴承故障是由过度振动引起的，因此在源头控制不平衡是维护团队能采取的最具成本效益的措施之一。当电机的1×振动值较高时，工程师可使用便携式双通道分析仪（例如 Balanset-1A：它测量 振幅 和 相位 通过分析运行速度振动，区分真实的不平衡与电磁2×线峰值，并在机械故障的情况下，执行单平面或双平面 实地平衡 在电机自身的轴承中，然后验证 残余不平衡量 无需拆卸驱动器。通过这种方式发现问题，可以避免侧向载荷，否则会缩短轴承的使用寿命。
5. 预防性维护策略
状态监测
- 按航线计划每季度或每月进行一次振动检测。
- 持续监测 用于最关键的电机。
- 每年或每半年进行一次热成像检测。
- 电机电流分析，周期性或连续性。
- 对每个参数进行趋势监控，以便尽早发现变化，作为更广泛工作的一部分 预测性维护 方案。
日常维护
- 润滑： 按计划对轴承进行重新润滑——通常每 6 至 12 个月一次。
- 清洁： 清除冷却通道中的灰尘和杂物。
- 拧紧： 检查安装螺栓和端子连接。
- 检查： 检查是否有明显损坏、过热及污染物。
- 测试： 定期重复进行绝缘电阻测试。
平衡与协调
6. 根本原因分析
一旦电机发生故障，找出根本原因才能防止同类故障再次发生。将故障症状与可能的诱因对应起来：
轴承故障
- 调查： 润滑是否充分、污染源、对中情况、振动水平。
- 常见原因 润滑过量、润滑脂类型不正确、对中不良、振动过大。
电气故障
- 调查： 运行条件、电压质量、占空比、冷却充足性
- 常见原因 过载、电压不平衡、单相运行、冷却系统堵塞
机械故障
- 调查： 负载特性、安装质量、运行环境
- 常见原因 冲击载荷、错位、安装不当、环境污染
7. 行业标准
有几项标准对电机性能、测试及允许的振动范围作了规定：
- NEMA MG-1： 电机性能与测试。
- IEC 60034： 国际电机标准，包括振动限值。
- IEEE 43： 绝缘测试方法（极化指数的来源）。
- ISO 20816: 电动机振动严重度标准——这是长期以来被广泛引用的ISO 10816系列的现代继任标准。
电动机故障在所有工业设备故障中占据相当大的比例。通过了解机械、电气和电磁故障的独特特征，并将振动分析、电流分析和热成像技术整合到一个状态监测方案中，可以将电动机维护从被动应对转变为主动预测，从而在最大限度提高可靠性的同时，将计划外停机时间降至最低。
