异步电动机故障形式与其致障机理及相关问题研究

时间：2024-05-20

张建军

（宁夏地质矿产中心实验室，宁夏银川 750021）

0 引言

电机的正常工作对保证生产制造过程中的安全、高效、敏捷、优质及低耗运行意义非常重大。电机的故障和停止运行，不仅会损坏电机本身，而且会影响整个系统的正常工作，甚至会危及人身安全，造成巨大的经济损失，因此对电机故障的诊断要求十分迫切。

1 异步电动机的故障形式与致障机理

1.1 定子铁芯故障

异步电动机的定子铁芯结构是:从铁芯背部将硅钢片紧紧地夹紧，然后再固定在定子的支架上。由于制造过程中或修理过程中穿转子时损伤了定子内的铁芯，形成片间短路。环路电流不断流过定子膛内铁芯短路的地方，经过一段时间，电流渐渐增大。当电流增大到一定程度后，定子铁芯硅钢片则会出现熔化现象，然后钢水则会流入定子槽中，烧毁绕组绝缘。此时，定子铁芯的故障己相当严重，而线圈也必需更换。这种故障的早期征兆是定子出现大的环路电流、高温，同时绝缘材料出现高温分解现象。小型电机也同样会出现此类故障。造成小型电机出现此类故障的原因可能是制造上的原因，但更常见的原因则是由于电机自身振动过于剧烈，导致电机定子铁芯片间绝缘损坏。另外，轴承的损坏可能造成转子与定子之间发生摩擦，从而损坏定子铁芯。

1.2 绕组绝缘故障

绝缘系统是电机本身固有的无论是机械方面还是电气方面最为薄弱的部分之一。绕组故障常常是由于绝缘缺陷形成的。绝缘缺陷包括主绝缘中的空洞或杂质。绝缘中从其他地方来的杂质油或金属都是在制造过程中形成的。无论是由于绝缘老化或是孤立的缺陷所引起的绝缘故障，其故障的表征基本上是一致的，即电机内活动性放电量增加，这是该类故障的早期征兆。

1.3 定子端部线圈故障

在电机运行过程中，定子端部绕组在力的作用下，会发生移动现象。当支撑结构松弛时，端部绕组便会发生故障。在某些情况下，端部绕组绝缘会出现裂纹、磨损或完全损坏。对于大型电机，正常运行时，由于绕组绑扎松弛，线棒产生较大的位移，可引发线棒疲劳磨损故障。进入电机的外来异物，如钢垫圈、螺母等会被转子打飞，直接击伤定子的端部绕组，从而损坏电机。这些碎粒还可能在电磁力的作用下，侵入端部绕组的绝缘层，侵蚀绝缘，产生端部绝缘故障。定子线圈端部故障的早期征兆使端部绕组的振动不断加大，井可能出现对地放电现象。

1.4 转子绕组的故障

对于鼠笼式异步电动机，其转子故障常常表现为以下的几种情况：转子断条端环破裂，高阻接头，铸铝转子中铸造间隙和气泡，绕线式转子中的不良铜焊头等。导致转子故障的原因通常是转子温度过高，以及作用在鼠笼端环上的离心负荷过大，这种情况在电动机起动时特别突出。导致转子故障的某些缺陷也可能是在制造过程中就己存在。例如，在制造压铸转子时使用了不合格的铸件以及采用铜焊或电焊的端环出焊接质量不良等都会留下故障隐患。这些缺陷会导致电阻过高，从而引起过热。而在高温条件下，鼠笼的强度降低，鼠笼条可能出现裂纹。此类故障常常发生在鼠笼的端环上，导致笼条伸出转子槽外而得不到转子铁芯的支撑。鼠笼条与转子的相对位移，连续的高温运行或停车同样可以引起鼠笼端环和鼠笼条变形，并最终导致端环与鼠笼条断裂。

1.5 转子本体故障

犹如对绕组的影响一样，电机转子在高速运行中所承受的强大离心力同样也可能引起转子的本体故障。转子本体故障一般表现为不平衡、不对中、轴弯曲、轴裂纹以及偏心等。

转子不平衡故障是电机常见故障，不平衡时，转子质量偏心，转子产生同转频的周期性激振力，使振动增大。在频谱图上主要表现为同转频的频率分量幅值增加，如果不平衡超标，应该进行动平衡处理。如果电机转子在加工过程中存在伤痕等隐患，在运行中，这些裂纹会进一步扩展，从而会导致转子断裂的灾难性故障。转子偏心分为静偏心和动偏心，最小径向气隙位置在空间固定的偏心为静偏心。例如静偏心能由定子铁芯椭圆度或者转子或定子的不正确定位引起的。当转子中线不在旋转中心和最小气隙随转子一起旋转时，就出现动偏心，所以动偏心应是空间和时间的函数。

1.6 电气不平衡故障

电气不平衡故障主要有三相电源不平衡、电机断相运行等。这种故障也较为常见，在负载运行时断相，能使电机定子电流迅速增大，使电机过热，绝缘老化，使用寿命缩短，甚至烧毁电机，危害极大。

1.7 轴承故障

电机转子在前后两端由轴承支撑。一般对于卧式电机，轴承主要承受径向力，通常采用球轴承，对于立式电机，轴承还要承受轴向力，通常采用推力轴承。轴承内圈与转子高速运转，承受较大的载荷，易发生故障，故障形式通常表现为磨损、点蚀、内外圈破裂等故障。轴承故障能使振动加剧，导致振动超标，是电机常见的振动源。

2 故障机理与技术条件之间的关系

在实际工作中，由于未能依据电机的用途而正确制定技术条件，从而导致电机出现故障的事件很多。例如，一台电机出力不够或机壳选择不合适，都可引起故障。电机的技术规范必须保证它的设计合乎其使用条件的要求。

电机的技术条件必须反映出电机将允许在什么样的机械的、电气的和环境的条件下工作。电机的故障都和这些条件有关，因此，选择监测和诊断参数时，应考虑运行条件的影响。

从机械方面来看，电机可能是周期间歇运行，也可能是频繁启动，这些都会引起绕组松动、绝缘老化、轴承磨损及振动加剧等缺陷。那些驱动脉动负荷的电机，如驱动压缩机的电动机，也同样会引起轴承严重磨损。

从电气方面来看，无论是电力系统的电机，还是其他行业系统中的电机。它们都可能受到所在电网各种暂态过程的影响。这些暂态过程有缓慢扰动和快速绕动之分。缓慢扰动如三相电压小平衡，会引起电机的过热，如果电机承受不平衡而造成的过热能力不够，就可能引起电机故障。电力系统的电压快速变化的暂态过程，可以引起电机绕组电位分布不均，结果部分绕组上的电压超过其绝缘能力，而绝缘破坏。

从环境角度来看，电机会遇到高温及污染的问题。由于冷却系统或运行的环境有问题，即便是电机在额定功率下运行，都有可能出现过热的现象，使绝缘材料劣化。由于工业环境的影响，使电机的运行环境十分恶劣。赃物能堵塞冷却器，弄脏密封装置，卡住轴承从而引起过热及机械故障。由于环境条件的影响，如湿度很高，也会降低绝缘性能。

显然，电动机的备种故障的产生是与运行条件相关联的，对于同类电机，处在不同的工作环境，会产生不同的故障。