某船主機缸套預熱水泵電機電流過大故障分析與排除

孫 磊

(第四八零八工廠威海修船廠，山東 威海 264200)

某船主機缸套預熱水泵配套電動機型號為Y801-2-H，功率 0.75 kW ，電壓 380 V ，電流 1.8 A，轉速 2 820 r/min。修后試驗時發生運行電流過大故障，實測空載運行電流1.9 A，負載運行電流4.6 A，嚴重超標。

1 故障原因分析

導致三相異步電動機電流過大有內外兩大因素，外因主要為負載大或電源電壓過高，內因是電動機本身制造和裝配的質量問題，主要表現在空載電流過大上。

絕大部分的空載電流用來產生旋轉磁場，稱為空載激磁電流，是空載電流的無功分量。還有很小一部分空載電流用于產生電動機空載運行時的各種功率損耗(如摩擦、通風和鐵損耗等)，這一部分是空載電流的有功分量，因占的比例很小，可忽略不計。因此，空載電流可以認為都是無功電流。從這一觀點來看，它越小越好，這樣電動機的功率因數提高了，對電網供電是有好處的。因定子繞組的導線截面面積是一定的，允許通過的電流也是一定的，如果空載電流增大，則允許通過導線的有功電流就只能減小，電動機所能帶動的負載就要減小。但是，空載電流也不能過小，否則會影響到電動機的其他性能。總之空載電流是三相異步電動機的重要參數，它是鑒定電動機制造和修理的重要標準之一。一般0.55～2.20 kW的三相異步電動機，其空載電流約為額定電流的40%～55%。[1]

從試驗結果看，主機缸套預熱水泵電機的空載電流(1.9 A)已超過額定電流(1.8 A)，測量輸入電壓385 V，用手轉動電機轉軸手感輕便無卡滯，基本上可排除外部因素，初步判斷是電動機自身質量問題。電動機自身質量問題導致空載電流過大，主要包括以下幾個方面。

1.1 定子質量問題

1)定子繞組匝數少于正常值。根據歐姆定律，異步電動機的空載電流I0的計算方法如下[2]：

(1)

式中，Bg為電動機的氣隙磁通密度；Rmδ為電動機的氣隙磁阻；RmFe為電動機的鐵芯磁阻；K為常數；N為定子繞組的匝數。

公式(1)中，異步電動機定子的繞組匝數N減少，將導致空載電流增大。

2)定子繞組接線錯誤。應為三相星接實為三相角接、并聯支路數多于設計值(例如應1路串聯實為2路并聯)等。根據電磁感應定律和電動勢公式，工頻異步電動機的氣隙磁通密度與相電壓及定子繞組的關系見公式(2):[2]

(2)

式中：Ke為定子繞組壓降系數；Kdp為定子繞組系數；U為相電壓；τ為極距；l為定子鐵芯長度。

三相星接錯接成三相角接，相當于電動機相電壓增大了。公式(2)中電壓增大，氣隙磁通密度增大，空載電流將顯著增大；并聯支路數增加，繞組電阻減小，此時空載電流將成倍增加。

3)定子鐵芯硅鋼片質量差。硅鋼片為不合格品或用火燒法拆除有故障的繞組時將鐵芯燒壞。火燒方法會使定子硅鋼片退火，造成其導磁率下降，導致鐵芯磁阻增大，根據公式(1)，空載電流也增大。況且燒壞鐵芯片間絕緣，一方面增大了鐵芯渦流而增大空載電流，另一方面造成了鐵芯疊壓不緊，鐵芯磁阻增大，導致空載電流增大。

4)鐵芯長度不足或疊壓不實，造成有效長度不足。公式(2)中鐵芯長度減小，氣隙磁通密度增加，空載電流增大。

5)定子鐵芯軸向壓裝不到位置，定、轉子軸向錯位較多。定、轉子軸向錯位，導致定、轉子磁路不能完全重合，漏磁增加，使繞組電流增大，出力減少。

1.2 轉子質量問題

1)轉子外圓加工尺寸小于正常值，定、轉子之間的氣隙較大。氣隙的大小對異步電動機的性能、運行影響較大。氣隙過大使磁阻大增，從而使勵磁損耗增大，勵磁電流也隨之增大，電動機的功率因數也會下降，使電動機的性能變差。為減小勵磁電流和改善功率因數，應盡量減少氣隙，但氣隙過小，又會使氣隙諧波磁場增大，電機雜散損耗和噪聲增加，使最大轉矩和起動轉矩都減小。[3]氣隙小容易使運行中的轉子和定子碰擦，發生“掃膛”現象，從而降低運行的可靠性，也給裝配帶來困難。一般小型異步電動機的氣隙約在0.25～1.50 mm之間。[4]

2)轉子裝反。如果轉軸兩端的軸承位與轉子鐵芯邊距離相同，轉子裝反，電機也能正常運行：若距離不等，反裝后，定、轉子軸向錯位較多，導致磁路不能完全重合，漏磁增加，繞組電流增大。

3)轉軸材料導磁性差。通常電動機轉軸一般都是由中碳鋼或合金鋼制成，中小型電機轉軸的材料常用45優質碳素結構鋼，對于小功率電機，有的用Q235A普通碳素結構鋼，水泵電機轉軸常用不銹鋼材料。不銹鋼按組織結構分為奧氏體型不銹鋼和馬氏體型不銹鋼。奧氏體型不銹鋼由于加入含量較高的鉻和鎳(含鉻在18%左右，鎳在4%以上)，鋼的內部組織呈現一種叫奧氏體的組織狀態，這種組織是沒有導磁性的，不會被磁化，不能被磁鐵所吸引。馬氏體型不銹鋼通過熱處理使其內部組織轉變為回火馬氏體，機械性能優于奧氏體型不銹鋼，具有導磁性，會被磁化，能被磁鐵吸引。

磁路中磁阻的大小與組成磁路的材料性質有關，由于磁阻效應，不導磁的奧氏體型不銹鋼做電動機轉軸會導致磁阻增大，使電流成倍增長。因此，一般不能用奧氏體型不銹鋼做電動機轉軸，只有對磁通有特殊要求的電機才會使用。

2 故障排查

2.1 定子質量問題排查

在車間選擇一臺與水泵電機同型號的通風機，在試驗臺上進行空載試驗，測量空載運行參數正常；水泵電機在試驗臺上進行空載試驗，測量空載運行參數異常，空載試驗數據如表1所示。

表1 空載試驗數據

將水泵電機與風機電機拆卸分解，水泵電機轉子與風機電機轉子互換后組裝，分別進行空載試驗，測量空載運行參數。水泵電機轉子換到風機上，空載電流變大；風機電機轉子換到水泵上，空載電流正常，基本不變。試驗結果可以排除定子存在質量問題，并可確定轉子存在質量問題。

2.2 轉子質量問題排查

1) 氣隙檢查。Y801-2電動機裝配主要尺寸如表2所示。

表2 Y801-2電動機裝配主要尺寸 mm

實測電機數據符合電動機裝配主要尺寸要求，氣隙在標準范圍之內。可以排除氣隙大引起空載電流過大的因素。

2) 轉子裝反檢查。將水泵電機轉子顛倒方向安裝，在車間試驗臺上進行空載試驗，水泵電機轉子正裝和反裝空載電流都是1.9 A，沒有變化。說明轉軸兩端的軸承位與轉子鐵芯邊距離相同，轉子反裝也能正常運行。可以排除轉子裝反，引起空載電流大的因素。

3) 轉軸材料導磁性差。轉軸外觀光亮無銹蝕，不能被磁鐵吸引，初步判斷轉軸為奧氏體型不銹鋼，取樣化驗結果為1Cr18Ni9Ti。

由此，可以確定導致水泵電機空載電流過大的原因是轉軸材質不符合要求。可能是電動機在某次修理時，更換了轉軸材質。

3 解決方案

3.1 轉軸材質選擇

轉軸是電機中的一個重要零件，作為電機與設備之間機電能量轉換的紐帶，支撐轉動零部件、傳遞力矩和確保轉動零部件對定子的相對位置。因此，轉軸必須具有一定的強度和剛度，確保預定設計功能的實現。

從水泵的角度來講，轉軸在保證機械性能的前提下力求耐腐蝕性；從電動機的角度來講，轉軸應有良好的機械性能，同時必須具有導磁性；電動機與水泵同軸，二者兼顧，綜合考慮，宜選用馬氏體型不銹鋼材質。工廠常用馬氏體型不銹鋼材質為2Cr13，最終選用2Cr13調質材料加工轉軸。

3.2 轉軸測繪加工

將轉子放到壓力機上，將轉軸壓出。用卡尺和千分尺測量轉軸尺寸，繪制轉子軸加工圖，轉子軸加工圖如圖1所示。

圖1 轉子軸加工圖

3.3 轉軸裝配試驗

將轉子鐵芯放到壓力機上，將轉軸壓入轉子鐵芯，裝配時確保轉軸與鐵芯相對位置正確。

水泵電機更換2Cr13材質的轉軸后進行空載和負載試驗，空載0.9 A,負載1.5 A。試驗結果電機空載電流和負載電流均符合要求，電動機運行正常，故障排除。

4 結束語

造成電動機運行故障的因素很多，繞組參數、部件材質、接線方式、修理和裝配質量等均可能造成電動機發生故障。所以在制造或修理過程中應嚴格按照標準和工藝進行，嚴禁隨意改變技術狀態，防止無依據、盲目地更換部件，產生人為故障而對電機運行造成不利影響。