異步電動機故障形式與其致障機理及相關問題研究

張建軍

（寧夏地質礦產中心實驗室，寧夏 銀川 750021）

0 引言

電機的正常工作對保證生產制造過程中的安全、高效、敏捷、優質及低耗運行意義非常重大。電機的故障和停止運行，不僅會損壞電機本身，而且會影響整個系統的正常工作，甚至會危及人身安全，造成巨大的經濟損失，因此對電機故障的診斷要求十分迫切。

1 異步電動機的故障形式與致障機理

1.1 定子鐵芯故障

異步電動機的定子鐵芯結構是:從鐵芯背部將硅鋼片緊緊地夾緊，然后再固定在定子的支架上。由于制造過程中或修理過程中穿轉子時損傷了定子內的鐵芯，形成片間短路。環路電流不斷流過定子膛內鐵芯短路的地方，經過一段時間，電流漸漸增大。當電流增大到一定程度后，定子鐵芯硅鋼片則會出現熔化現象，然后鋼水則會流入定子槽中，燒毀繞組絕緣。此時，定子鐵芯的故障己相當嚴重，而線圈也必需更換。這種故障的早期征兆是定子出現大的環路電流、高溫，同時絕緣材料出現高溫分解現象。小型電機也同樣會出現此類故障。造成小型電機出現此類故障的原因可能是制造上的原因，但更常見的原因則是由于電機自身振動過于劇烈，導致電機定子鐵芯片間絕緣損壞。另外，軸承的損壞可能造成轉子與定子之間發生摩擦，從而損壞定子鐵芯。

1.2 繞組絕緣故障

絕緣系統是電機本身固有的無論是機械方面還是電氣方面最為薄弱的部分之一。繞組故障常常是由于絕緣缺陷形成的。絕緣缺陷包括主絕緣中的空洞或雜質。絕緣中從其他地方來的雜質油或金屬都是在制造過程中形成的。無論是由于絕緣老化或是孤立的缺陷所引起的絕緣故障，其故障的表征基本上是一致的，即電機內活動性放電量增加，這是該類故障的早期征兆。

1.3 定子端部線圈故障

在電機運行過程中，定子端部繞組在力的作用下，會發生移動現象。當支撐結構松弛時，端部繞組便會發生故障。在某些情況下，端部繞組絕緣會出現裂紋、磨損或完全損壞。對于大型電機，正常運行時，由于繞組綁扎松弛，線棒產生較大的位移，可引發線棒疲勞磨損故障。進入電機的外來異物，如鋼墊圈、螺母等會被轉子打飛，直接擊傷定子的端部繞組，從而損壞電機。這些碎粒還可能在電磁力的作用下，侵入端部繞組的絕緣層，侵蝕絕緣，產生端部絕緣故障。定子線圈端部故障的早期征兆使端部繞組的振動不斷加大，井可能出現對地放電現象。

1.4 轉子繞組的故障

對于鼠籠式異步電動機，其轉子故障常常表現為以下的幾種情況：轉子斷條端環破裂，高阻接頭，鑄鋁轉子中鑄造間隙和氣泡，繞線式轉子中的不良銅焊頭等。導致轉子故障的原因通常是轉子溫度過高，以及作用在鼠籠端環上的離心負荷過大，這種情況在電動機起動時特別突出。導致轉子故障的某些缺陷也可能是在制造過程中就己存在。例如，在制造壓鑄轉子時使用了不合格的鑄件以及采用銅焊或電焊的端環出焊接質量不良等都會留下故障隱患。這些缺陷會導致電阻過高，從而引起過熱。而在高溫條件下，鼠籠的強度降低，鼠籠條可能出現裂紋。此類故障常常發生在鼠籠的端環上，導致籠條伸出轉子槽外而得不到轉子鐵芯的支撐。鼠籠條與轉子的相對位移，連續的高溫運行或停車同樣可以引起鼠籠端環和鼠籠條變形，并最終導致端環與鼠籠條斷裂。

1.5 轉子本體故障

猶如對繞組的影響一樣，電機轉子在高速運行中所承受的強大離心力同樣也可能引起轉子的本體故障。轉子本體故障一般表現為不平衡、不對中、軸彎曲、軸裂紋以及偏心等。

轉子不平衡故障是電機常見故障，不平衡時，轉子質量偏心，轉子產生同轉頻的周期性激振力，使振動增大。在頻譜圖上主要表現為同轉頻的頻率分量幅值增加，如果不平衡超標，應該進行動平衡處理。如果電機轉子在加工過程中存在傷痕等隱患，在運行中，這些裂紋會進一步擴展，從而會導致轉子斷裂的災難性故障。轉子偏心分為靜偏心和動偏心，最小徑向氣隙位置在空間固定的偏心為靜偏心。例如靜偏心能由定子鐵芯橢圓度或者轉子或定子的不正確定位引起的。當轉子中線不在旋轉中心和最小氣隙隨轉子一起旋轉時，就出現動偏心，所以動偏心應是空間和時間的函數。

1.6 電氣不平衡故障

電氣不平衡故障主要有三相電源不平衡、電機斷相運行等。這種故障也較為常見，在負載運行時斷相，能使電機定子電流迅速增大，使電機過熱，絕緣老化，使用壽命縮短，甚至燒毀電機，危害極大。

1.7 軸承故障

電機轉子在前后兩端由軸承支撐。一般對于臥式電機，軸承主要承受徑向力，通常采用球軸承，對于立式電機，軸承還要承受軸向力，通常采用推力軸承。軸承內圈與轉子高速運轉，承受較大的載荷，易發生故障，故障形式通常表現為磨損、點蝕、內外圈破裂等故障。軸承故障能使振動加劇，導致振動超標，是電機常見的振動源。

2 故障機理與技術條件之間的關系

在實際工作中，由于未能依據電機的用途而正確制定技術條件，從而導致電機出現故障的事件很多。例如，一臺電機出力不夠或機殼選擇不合適，都可引起故障。電機的技術規范必須保證它的設計合乎其使用條件的要求。

電機的技術條件必須反映出電機將允許在什么樣的機械的、電氣的和環境的條件下工作。電機的故障都和這些條件有關，因此，選擇監測和診斷參數時，應考慮運行條件的影響。

從機械方面來看，電機可能是周期間歇運行，也可能是頻繁啟動，這些都會引起繞組松動、絕緣老化、軸承磨損及振動加劇等缺陷。那些驅動脈動負荷的電機，如驅動壓縮機的電動機，也同樣會引起軸承嚴重磨損。

從電氣方面來看，無論是電力系統的電機，還是其他行業系統中的電機。它們都可能受到所在電網各種暫態過程的影響。這些暫態過程有緩慢擾動和快速繞動之分。緩慢擾動如三相電壓小平衡，會引起電機的過熱，如果電機承受不平衡而造成的過熱能力不夠，就可能引起電機故障。電力系統的電壓快速變化的暫態過程，可以引起電機繞組電位分布不均，結果部分繞組上的電壓超過其絕緣能力，而絕緣破壞。

從環境角度來看，電機會遇到高溫及污染的問題。由于冷卻系統或運行的環境有問題，即便是電機在額定功率下運行，都有可能出現過熱的現象，使絕緣材料劣化。由于工業環境的影響，使電機的運行環境十分惡劣。贓物能堵塞冷卻器，弄臟密封裝置，卡住軸承從而引起過熱及機械故障。由于環境條件的影響，如濕度很高，也會降低絕緣性能。

顯然，電動機的備種故障的產生是與運行條件相關聯的，對于同類電機，處在不同的工作環境，會產生不同的故障。

3 結束語

總之，通過對電機常見故障的診斷和分析，可以及早發現故障和預防故障的進一步惡化，減少突發事故造成的停產損失，防止對人員和設備安全的威脅，并為實現狀態檢修創造條件；還可為設計制造者提供經驗，積累數據，有助于電機性能及可靠性的改進：同時對電機故障定位、決策及維修都具有極其重要的意義。

［1］沈標正.電機故障診斷技術[M].北京:機械工業出版社,1996.

［2］周東華,王桂增.故障診斷技術綜述[J].化工自動化與儀表,1998,25(1),58-62.