裝甲車輛起動電動機常見故障綜述

李國強+李光升

摘 要：裝甲車輛起動電動機在工作過程中，針對直流電動機部分，發生的故障按類型可分為電氣和機械類。故障的發生是由多種原因造成的，既與直流電機自身結構特點和功能特性有關，又受直流電機實際工作環境和工作條件的影響，要完全理解故障發生原因，就需要研究直流電機的工作特性，分析各種常見的故障類型及故障發生機理，同時也為后續的故障特征提取提供了理論依據。本文以某型裝甲車輛起動電動機為例，分析其運行特性和數學模型的基礎上，列舉常見故障類型及現象，從電樞電流和振動信號的角度對常見故障作機理分析。

關鍵詞：起動電動機；常見故障；機理分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.008

1 裝甲車輛起動電動機的數學模型

對于裝甲車輛這種大型重載車輛，往往在起動過程中要求的轉矩特別大，因此裝甲車輛起動電動機的勵磁方式一般采用串勵方式。本文研究的起動電動機中的直流電動機就是串勵方式。

當裝甲車輛直流電動機帶動發動機轉動時，近似的寫出它運行時的動態線性方程為：

在上述方程中，為轉動慣量，為負載轉矩，為粘滯摩擦轉矩，為干摩擦轉矩，為電機角速度，為電機常數，為電樞電感，為電樞等效電阻，為電樞電流，為電源電壓。

電動機空載時電樞電流的瞬態響應值為：

2 裝甲車輛起動電動機常見故障與機理分析

對于裝甲車輛起動電動機來說，具有與一般直流電動機相似的結構特性，經查閱大量文獻資料，對直流電動機發生的常見故障類型與原因作了分析。并結合起動電流和振動信號對電動機的常見故障作了機理分析，總結如下。

2.1 定子繞組故障

（1）故障特征及原因。定子勵磁繞組較易發生的故障一般有繞組匝間短路故障、相間短路故障和繞組接地故障等。

當勵磁繞組匝間短路時，電機的振動加劇，會產生繞組發熱、冒煙和絕緣層燒焦的現象，發生該故障主要是由絕緣層表面堆積灰塵或油污、S彎處因制造或重修偏差使匝間短路、拆機修理時產生機械損傷等原因造成。當勵磁繞組接地時，電機將處于嚴重故障狀態，發生該故障主要因為電動機絕緣層破損，導致線圈與鐵芯和機座直接導通，此時繞組中的大電流會對乘員生命帶來巨大威脅。故障原因主要是在制造時，絕緣層的包裹程度有缺陷，加上長期使用和保養不及時就會導致絕緣破損而接地。

（2）故障機理分析。定子繞組匝間短路屬于電動機繞組故障中發生比較早的故障現象，其他繞組故障均有它逐步加深導致。這里主要對定子繞組匝間短路進行故障機理分析。

定子繞組匝間短路發生時，其定子電流的故障特征頻率是一個重要參數，可以采用多回路理論[2]分析得到，該理論的原理是對電動機磁場進行分析的，即根據定轉子繞組之間的互感系數，求得定轉子之間的磁鏈和感應電流，短路時繞組電感的變化會使感應電流也發生變化，具體方法是對采集的定子電流即電樞電流作FFT得到電流的頻譜，故障狀態相比正常工作狀態，其電流幅值會在特征頻率處明顯增大，從而判別出定子繞組匝間是否發生了短路故障。

此外，電動機運行過程中，定子磁場和轉子之間相互作用，會有旋轉力產生，這種力會引起定子繞組的周期性變化并產生振動。當定子繞組短路時，定子結構的電磁噪聲和振動會加劇，相比正常狀態時電機振動信號會有諧波幅度的變化[3]。

2.2 換向故障

（1）故障特征及原因。電刷作為直流電動機的主要結構，實現對電流的引導和換向，電機工作時，電刷接觸在換向器表面滑動，滑動越平穩換向效果就越好，換向不良會出現刷火異常，這種現象一般呈明亮、暴鳴狀、火球狀或飛濺狀等，刷火異常往往會使換向器表面出現燒痕而變黑。火花的產生通常由電磁原因、機械原因、環境原因和負載原因等因素造成[4]。

（2）故障機理分析。在電動機換向過程中，實際流過的電樞電流并不是保持恒定的，而是會產生上下的起伏。隨著電動機工作年限的增加，電動機的電刷會被磨損，這樣就導致了電刷和換向器之間的縫隙不斷增大，從電動機數學模型上分析是因為干摩擦轉矩變小了。從公式（2-1）中看，在不改變其他條件時，電刷與換向器之間縫隙增大，即意味著電刷的接觸電阻增大，因此電樞電流將會變小。

2.3 電樞故障

（1）故障特征及原因。起動電動機的電樞繞組為單波繞組，其結構特點是同極性的繞組按一定規律串聯起來構成單條支路，再經電刷使電樞繞組和直流電源的正負兩端接通從而形成電動機回路。電樞繞組常有斷裂開焊和短路故障發生，開焊的原因主要是負載過大、電流過大、機體材料缺陷等。短路故障按照位置不同可分成換向器片端短路、驅動端短路及匝間短路，其中換向片間短路更常見，其原因是換向器云母溝內有導電雜質或粉塵。電樞繞組匝間短路一般由電樞繞組絕緣層破損、繞組受酸類物質侵蝕、重修安裝時損傷絕緣層的機械結構等因素造成。

（2）故障機理分析。電樞發生的常見故障是電樞繞組元件開焊。開焊的元件在電機運行過程中會發生兩種情況。第一種情況是它和正常的繞組構成電樞回路，第二種是完全脫離開來不構成任何回路。第一種情況下，電路中參數不會發生改變，由電機模型公式（1-2）推導出電路變為無故障狀態，電樞電阻和電樞電流的數值均表現為正常狀態。第二種情況下，由于電樞元件的開焊，導致并聯電阻的減少，即等效的電樞電阻會增大，根據電機模型公式（1-2）推導，此時電樞電流會減小。這種變化會隨著電機的旋轉周期性出現，電樞電流在時域內呈現的變化具有周期性波動的效果，并且電機振動和噪聲也會加劇。

2.4 轉子偏心故障

（1）故障特征及原因。電動機在機械換向時，對定子和轉子的同心度要求比較高，不能存在明顯的轉子偏心問題，但因為制造時產生的公差、運行過程中會產生磨損以及安裝不合理等因素，導致定轉子產生偏心。電動機的氣隙偏心分靜態偏心和動態偏心兩類，分別如圖1（a）、（b）所示。endprint

（2）故障機理分析。當偏心故障發生時會帶來定轉子之間氣隙的變化，由于氣隙是屬于電機主磁路的一部分，因此偏心也會帶來磁場的改變，導致電磁不平衡而產生力矩，受力矩的影響，偏心故障程度會不斷加深[5]。偏心故障的發生會破壞磁路結構的對稱性，此時電樞電流中會產生諧波頻率。當偏心較嚴重時，因電刷與換向器之間的接觸性變差會出現火花。對直流電動機來說，可以檢測和分析定子電流中的諧波頻率成分來判斷轉子是否發生偏心故障。

直流電動機與異步電動機的結構存在差異，但是齒槽效應和偏心現象是相似的，根據直流電動機特點，將參數代入式（2-2），能夠求得槽諧波和周圍的偏心故障特征諧波成分的頻率。

此外，靜態偏心和動態偏心具有不同的振動特性，其故障特征頻率也是不同的。動態偏心故障的振動特征頻率可能與轉子旋轉頻率相等。

2.5 軸承故障

故障特征及原因：

滾動軸承的結構包括內圈、外圈、滾動體和保持架四部分。軸承作為起動電動機傳輸動力過程中的關鍵部件，受摩擦和激振力的影響極易發生故障，并且受不同因素影響會產生不同程度的損傷類型，下面將故障類型及原因總結如表1所示。

（2）故障機理分析。軸承作為起動電動機定轉子之間的支撐部件，在起動過程中會受到軸向和徑向力，這種力的作用就是軸承發生形變的原因。當直流電動機軸承上的某一部位發生微小故障時，隨著電動機的高速運轉，發生故障的部位與軸承正常部位會發生周期性接觸，這種接觸會增加故障部位的進一步損壞。并伴隨著電動機定轉子氣隙間隙和磁導發生變化，這些變化的諧波最終會反映在電樞電流中。因此通過檢測電樞電流中特定的諧波頻率就能對軸承故障進行診斷[6]。

另外，軸承運行過程中，其滾動體在具有凹凸特點的接觸面上滾動會產生交變的激振力。正常狀態下時，因為接觸面的凹凸性和深淺是不規則的，因此這種激振力也是無規律的，測量得到的振動信號含有多種頻率成分。當軸承發生內圈、外圈、滾動體和保持架故障時，受損點在接觸面上會產生一個沖擊力，隨著軸承的轉動，這個沖擊力呈現出周期性變化[7]，故障不同，沖擊力出現的頻率也不同，稱該頻率為故障狀態的特征頻率。所以只需檢測振動信號的頻率，就能判斷軸承的故障類型。

3 結論

本文首先分析了裝甲車輛某型起動電動機的勵磁方式和數學模型，總結了起動電動機常見故障（定子繞組故障、換向故障、電樞故障、轉子偏心故障和軸承故障）發生時產生的現象和故障原因，并結合起動電動機電樞電流和振動信號分別對常見故障作了機理分析，為進一步理解起動電動機的特性提供了參考。

參考文獻：

[1]惜暮春.電機拖動[DB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/c4bfa5f60c22590102029df1.html.2013，12（17）.

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[5]左志文.基于HHT和RBF神經網絡的異步電動機故障診斷的研究[D].太原理工大學：碩士學位論文，2015.

[6]趙敏，劉振興，尹項根，張哲.直流電動機偏心和換向器故障的監測與診斷方法分析[J].武漢科技大學學報（自然科學版），2004（02）：171-173.

[7]葉高翔.循環平穩理論在滾動軸承故障檢測中的應用[D].浙江大學：碩士學位論文，2007.

作者簡介：李國強（1993-），男，甘肅武威人，碩士研究生，研究方向：檢測技術及其自動化裝置。endprint