三相永磁同步電機常見故障及解決對策

王曉璐

（山西維達傳動科技有限公司，山西太原 030032）

0 引言

永磁電機因其節能效果顯著、綜合性能優良，在多個行業得到了廣泛應用。永磁電機從結構上簡化了傳動鏈，系統運行更穩定，提高了傳動系統的可靠性，在設備及系統節能、提高維護性、降低運行成本等方面取得了可觀的效果。目前已成功應用于煤炭、水泥、鋼鐵、電力、港口、有色金屬等行業。

永磁電機的故障可分為電氣故障、機械故障和磁鋼退磁故障三大類（圖1），大多是原材料不合格、零部件加工超差、裝配方法不當、設計方案不過關、人工誤操作等原因造成的。有些故障在早期難以察覺，或容易對故障有誤判，在后期發現時已經造成了一定的經濟效益損失和時間損失。因此，及時排查電機故障、對故障早發現、解決潛在隱患顯得尤為重要。

圖1 永磁電機故障分類

永磁電機故障的快速、準確排除對提高企業勞動生產率、有效避免返工、減輕工人的勞動強度、保證工人人身安全、降低企業的制造成本、確保電機的安全運行具有重要的價值和意義。

1 電氣故障

1.1 定子繞組故障

1.1.1 繞組接地故障

繞組接地故障是指繞組與鐵芯、機殼之間絕緣破壞而引起繞組接地的故障，主要現象為機殼帶電、絕緣電阻為零、變頻器零序電流報警或過壓報警。故障發生后，實際拆機發現燒毀部位多數在繞組端部，故障原因主要有高電壓擊穿絕緣、機械磕碰等。

（1）與電機配合使用的變頻器為二電平變頻器，輸出電壓為方波，尖峰電壓較高，有可能瞬間擊穿絕緣的薄弱部位。將二電平變頻器更換為三電平變頻器可有效降低峰值電壓。

（2）在電機裝配時，繞組端部與端蓋相碰，有可能造成端部絕緣破損，進而引起接地故障。對燒毀部位重新進行絕緣處理，涂漆后再烘干，測試絕緣電阻無異常，可重新使用。

1.1.2 繞組開路故障

繞組開路故障是指繞組端部極間或極相間有斷開的焊接接頭，引起繞組端部斷路的故障。繞組開路故障主要現象為三相電流不平衡、電機振動大或有異常噪聲、溫升超過設計要求的溫升限值，嚴重的甚至造成電機不能啟動。

繞組開路故障的主要原因有：①極間與繞組引接線焊接不牢固、溫升高導致接頭燒斷；②裝配方法不當造成繞組端部與其他部件磕碰；③匝間或相間短路造成繞組熔斷。

當開路故障點在繞組端部時，可重新將接頭接好焊牢，包好絕緣材料，綁扎穩固，刷漆后自然晾干。如果繞組由于匝間短路造成繞組嚴重熔斷，則應更換繞組。

1.1.3 相間短路故障

相間短路故障是指三相繞組中，兩相繞組之間發生短路，包括繞組端部層間短路和槽內上下層之間的短路，以及人為接線錯誤引起的相間短路。主要現象為電流過大、三相電流不平衡、永磁電機手動盤車盤不動。

造成相間短路的原因有：①電機引出線浸漆變硬后彎曲拉扯造成絕緣層破損，導致相間接觸；②層間墊條墊偏或損傷、極間連線串相導致的相間短路。其中，極間連線錯誤可以通過常規的直流電阻、匝間耐壓、絕緣電阻、工頻耐壓測試，各項參數指標均顯示正常，但如果整機裝配完成后手動盤車出現盤不動故障，只能拆機重新查找故障點。

常規的檢測手段容易出現誤判，需用指南針法來測試判斷故障。指南針法是指在電機任意兩相之間接入直流電源，用指南針沿定子內圓移動。接法正確時，指南針N、S 極會均勻交替變化，其變化次數與極對數相同。

用指南針法測出N、S 極變換次數不對的區域，或者變換次數相同但交替變換的角度不同的區域即為故障部位，拆掉接線重新接線包絕緣后可解決此類故障。找到繞組引出線破損的部位后，半疊包二層硅橡膠自粘帶，外層再半疊包一層聚酰亞胺膠帶，最后套上絕緣套管。層間墊條破損的應更換合格的層間墊條。

1.1.4 匝間短路故障

匝間短路故障是指繞組線路本身的絕緣發生故障，主要包括各極相組線圈間短路、一個極相組線圈之間短路以及一個線圈中線匝之間短路。主要故障現象為三相電流不平衡、振動和噪聲增大。

匝間短路故障可通過匝間耐壓測試儀，測試三相波形是否重合作為判斷依據。匝間耐壓不重合原因是定子線圈在繞制、漲型、包袋、整形、模壓等工序中，損傷繞組線路本身的絕緣層導致的。

實際上同一臺電機線圈與線圈之間波形有微小的不一致，但線圈之間連接后三相完全重合這種情況。經過實際測試驗證，線圈之間波形不重合度不超過10%就完全可以使用。線圈出現匝間短路故障時，通常采用更換線圈的辦法解決。

1.2 空載特性故障

空載特性故障是指永磁電機在額定電壓、額定頻率運行時，空載損耗和空載電流偏大的故障。永磁電機空載損耗和空載電流偏大的主要原因有齒槽轉矩過大、鐵芯質量差、磁鋼渦流損耗大。

齒槽轉矩過大不但造成永磁電機啟動困難，還有額外增加電機的空載損耗和空載電流。鐵芯來料質量差會造成鐵耗增加，導致空載損耗和空載電流增大。電磁方案設計不合理，也會造成空載損耗和空載電流偏大。

解決此類故障需要從源頭上進行把控，在電磁設計階段確保齒槽轉矩和磁鋼渦流損耗盡可能小，同時加大鐵芯來料質量的檢驗力度，完善鐵芯損耗檢測手段。

1.3 泄漏電流故障

泄漏電流故障是指永磁電機定子繞組在工頻耐壓測試時泄漏電流過大，超過報警設定值的故障。

以某臺1120 kW、額定電壓1140 V 的定子成型繞組為例，定子線圈直線邊半疊包二層少膠粉云母帶，做工頻耐壓測試顯示泄漏電流在600 mA 左右，超過工頻耐壓儀設定的報警值500 mA。造成此現象的原因主要是絕緣結構設計薄弱，雖然二層少膠粉云母帶滿足耐壓要求，但泄漏電流過大會對設備和人員造成一定的安全隱患。

解決此類故障只需將鐵芯兩端的槽口墊上不帶膠的聚酰亞胺膠帶，經工頻耐壓實測，泄漏電流可降低60%。這也證實了將絕緣加強是降低泄漏電流的有效手段。

1.4 電磁噪聲故障

電磁噪聲故障主要是由氣隙磁通的脈振和高次諧波引起的。當轉子旋轉時，由于齒、槽的影響，引起每極下磁阻的變化。由于電磁噪聲與每極下槽數有關，因此這種噪聲多數以齒頻率出現。永磁電機噪聲過高主要與齒槽轉矩過大、磁鋼磁通量一致性不好有關。齒槽轉矩過大，相應的力波幅值也越大，振動噪聲就越大，造成電機發出嗡嗡聲。

解決此類故障從設計的角度，盡可能選擇合適的極槽配合，槽數與極數最大公約數小、最小公倍數大的極槽配合；磁鋼磁通一致性不好時，同批次的磁鋼應打亂順序裝在不同的槽中可有效降低電磁噪聲。

2 機械故障

2.1 軸承溫升故障

軸承溫升故障是指永磁電機做溫升試驗時軸承溫度超過95 ℃、軸承溫升不能達到平衡的故障，其原因主要有磁鋼溫升高、軸電流腐蝕、軸承選型錯誤、潤滑脂加注量過多或過少。

（1）如果電磁設計方案設計不合理，磁鋼渦流損耗過大，就會造成磁鋼溫升過高。磁鋼的熱量通過轉子支架傳導給軸承，導致軸承溫度超過95 ℃。應從設計上降低磁鋼渦流損耗。

（2）軸電流會造成軸承溫升過高。軸電流的產生是由于在由電機軸、軸承、軸承座組成的回路中，有與其相連并隨時間變化的磁通穿過，在軸上產生感應電勢，并在回路為通路時產生電流。可以采用絕緣軸承或者端蓋絕緣措施，以阻斷軸電流。

（3）電機兩端的軸承一端為固定端、一端為自由端，如果兩端都選擇球軸承，就會因溫升變化而軸承無軸向竄動間隙，導致溫升過高故障。固定端和自由端應選用合適的軸承。

（4）電機潤滑脂加注得過少，起不到潤滑作用，溫升增高；潤滑脂加注得過多，會造成軸承運轉阻力增大，溫升增高。根據實際應用經驗，潤滑脂加注量以填滿軸承座殼體的1/2為宜。

2.2 軸承噪聲故障

軸承噪聲主要發生在使用滾動軸承的電機上，轉子不平衡是主要原因，定轉子不同心、端蓋與軸承外套配合不好等是次要原因。因此，提高轉子動平衡精度、加工裝配精度，提高軸承制造質量、配合精度，并保持良好潤滑，是降低軸承噪聲的有效措施。

3 磁鋼退磁故障

磁鋼退磁故障是指磁鋼在高溫下發生不可逆退磁的故障。磁鋼退磁故障包括均勻退磁故障和不均勻退磁故障。磁鋼退磁故障可通過反電勢的變化來判斷，如熱態反電勢較冷態反電勢變化值超過5%，可判斷為退磁。

磁鋼退磁的原因主要有電機設計不合理導致的磁鋼渦流損耗過大、磁鋼牌號選擇不對。從電磁設計源頭降低磁鋼渦流損耗、增加磁鋼厚度、選擇高牌號的磁鋼、轉子內部設計通風槽回路，都是增強磁鋼抗退磁能力的有效手段。

4 結束語

本文總結了永磁電機的常見故障，詳細分析故障的可能原因，并給出相關的解決對策，具有針對性、安全性、可靠性、適用性，為企業及時發現、快速排除永磁電機故障提供了有價值的參考，實現故障的提前預防，對提高企業生產效率，構建智能化故障檢測方法具有重要意義。