全面解析电机振动：从原理到故障诊断

电机的故障和诊断技术与电机的工作原理、运行方式、具体结构密切相关。无论是何种电机，其内部按能量转换的原理分为三个环节(或称系统)：电气环节、磁耦合环节、机械环节。因为这三个环节的能量形式不同，所应用的故障诊断技术相应地有所差异。电气环节的故障主要通过对电压、电流的各种测量和分析来诊断，例如绝缘材料的老化，通过测量漏地电流来判定等等。

1电机类型特点与测定标准

(1)电机的主要部件

定子：是输入电功率，产生磁场的静止部件。对于交流电机，通常定子磁场是旋转的。对于直流电机，定子磁场是静止的。

转子：是产生一个与定子磁场相对运动的磁场，并输出机械功率的重要部件。所承受的电磁力转为输出的扭矩，因此往往要承受较大的机械应力。

集电环和换向器：是构成旋转部分导电，建立相对运动磁场的滑动接触机构。

轴承装置：是支撑转子旋转，保持定子、转子相对位置的机械结构。

(2)电机的类型与工作原理的区别

电机的两个磁场均由直流励磁产生，则为直流电机；

电机的一个磁场由直流励磁产生，另一个由交流电流产生。为使这两个磁场相对静止，直流励磁磁场相对交流电产生的旋转磁场必须严格同步，这就是同步电机；

电机的两个磁场分别由不同频率的交流电流产生，则为异步电机。

2电机振动的测量与判定标准

电机振动测定是指电机在制造厂出厂试验或试验室内的振动研究试验、检修后现场试验时的电机振动水平的准确测量，因此，对于电机的安装条件、测试仪器、测点装置、测量要求等都作了规定。

这种测定的目的：

为了确定电机振动初始状态时的振动水平，判定这台电机出厂时或投入运行时振动值是否符合有关标准的规定；

为以后电机异常振动的诊断提供初始的参照数据。因此电机振动的测定，其目的和方法均与电机异常振动诊断有所区别。

(1)电机振动有关标准

GBl0068—88《旋转电机振动测定方法及限值》(国家标准)

IEC34—14(1986)《中心高为56mm及以上旋转电机的振动——振动烈度的测量、评定及限值》(国际电工协会颁布)

ISO2372(1974)《转速从10r/s机器的机械振动——评定标准的基础》(国际标准化组织颁布)

ISO3945(1985)《转速10r/s机器的机械振动——在运行地点对振动烈度的测量和评定》(国际标准化组织颁布)

VDI2056《机器的机械振动评价标准》(德国标准)

(2)电机振动的测定方法

测量值的表示方法：

不同转速范围的电机，其测量值的表示方法是不同的。国家标准规定，对转速为600～3600r/min的电机，稳态运行时采用振动速度有效值表示，其单位mm/s。对转速低于600r/min的电机，则采用位移振幅值(峰—峰值)表示，其单位为mm。

对测量仪器的要求：

仪器的频率响应范围应为10～1000Hz，在此频率范围内的相对灵敏度以80Hz的相对灵敏度为基准，其他频率的相对灵敏度应在基准灵敏度 10%～-20%的范围以内，测量误差不超过±10%。

测量转速低于600r/min电机的振动时，应采用低频传感器和低频测振仪，测量误差应不超过±10%。

电机的安装要求：

弹性安装。轴中心高为400mm及以下的电机，测振时应采用弹性安装。

刚性安装。对轴中心高超过400mm的电机，测时应刚性安装。

电机在测定时的状态：

电机的测振应在电机空载状态下进行。

图1 小型电机测点布置

图2 端盖轴承电机的测点布置

图3 机座式轴承电机的测点布置

(3)电机振动的限值

根据国家标准GBl0068.2-88《旋转电机振动测定方法及振动限值》的规定，对不同轴中心高和转速的单台电机，在按GBl0068.1规定的方式测定时，其振动速度有效值应不超过表1的规定。

表1 电机振动速度有效值的极限标准(mm/s)

3电磁耦合系统的振动原理

(1)基频磁通的电磁振动

在电机气隙中磁通密度是沿着转子的圆周的空间而随着时间按正弦波分布，可以用下式表示：

由于磁通密度的作用力与磁通密度B的平方成正比：

根据上式可知基波电磁力具有以下特点：

频率为电源频率的两倍，即2f=100Hz；

以正弦波规律在圆周上分布；

随时间以角速度ω回转。

基波电磁振动：

空气隙长度和磁路不平衡时；

一次电压不平衡时；

转子绕组不平衡(断条和接触不良)时。

图4 基波电磁力分布

这一振动，在转子受椭圆形电磁力的两极电机中特别明显地表现出来。图4表示了基波电磁力F的圆周方向的分布情况。

二倍电源频率的振动，它是电机中的主要振动分量之一，尤其是在大型电机中，由于定子的固有频率较低，这种频率的振动分析和研究显得特别重要。

基波电磁力不仅作用于转子，也同时作用于定子。是造成定子槽内线包松动等故障的原因之一。

(2)高频磁通的槽振动

由于槽的磁导率变化等原因，产生高频槽振动，在它引起的槽齿谐波中，特别要注意的频率成分是fk：

根据K值，电磁力的各阶模态呈如图5所示的形状。

图5 电磁力的各阶模态

这种电磁力是一种径向力波(又称旋转波)，并且是单位面积上的力，当这些力波频率以及其阶次与定子对应的固有频率及其模态阶次接近或一致时，将发生共振效应，此时，电机的振动和噪声将特别大。

例如，一台四极电机，P=2，转子的槽数ZR =40，定子槽数ZS =48，先计算其模态阶数K：

图6 交流感应电机(P=2，ZR =40，ZS=48)的声音频谱图