收藏 | 电动机的3种电磁振动及特征分析

由 cathy 提交于周四, 13 八月 2020 - 09:24

来源 | 摘录自《电动机故障诊断》讲义

作者 |王林鸿教授、博士，南阳理工学院

定子异常产生的电磁振动

由于定子三相绕组产生的是一个旋转磁场，它在定、转子气隙中以同步速度n0旋转。若电网频率为f0，则同步速度n0=60f0/P。

机座上受力部位是随磁场的旋转而在不断改变位置。从图1c-e中可以看出，当旋转磁场回转一周，磁拉力和电磁振动却变化两次（2极电机）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-08/wen_zhang_/100050963-104134-1.j…; alt=“a) 2极电机定、转子和磁通；”></center><center>a) 2极电机定、转子和磁通；</center>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-08/wen_zhang_/100050963-104135-2.j…; alt=“b) 定子所受电磁力和旋转力波；”></center><center>b) 定子所受电磁力和旋转力波；</center>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-08/wen_zhang_/100050963-104136-3.j…; alt=“图1 电磁振动发生机理”></center><center> c) 旋转磁场波形；d) 磁拉力变化波形；e) 电磁振动的波形</center> <center>图1 电磁振动发生机理</center>

定子电磁振动特征频率

因电磁振动在空间位置上和旋转磁场是同步的，定子电磁振动频率应为旋转磁场频率(f0/P)和电磁力极数(2P)之乘积2f0，也就是2倍的电源频率。

由此可知，电机在正常工作时，机座上受到一个频率为电网频率2倍的旋转力波的作用，而可能产生振动，振动大小则和旋转力波大小、机座刚度直接有关。

定子电磁振动异常的主要原因

<ul>
<li>
定子三相磁场不对称。如电网三相电压不平衡，因接触不良造成单相运行，定子绕组三相不对称等原因，都会导致定子磁场的不对称，而产生异常振动。 

</li>
<li>
定子铁心和定子线圈松动，将使定子电磁振动和电磁噪声加大，在这种情况下，振动频谱图中，电磁振动除了2f0的基本成份之外，还可以出现4f0、6f0、8f0的谐波成分。 
</li>
<li>
电动机座底脚螺钉松动，其结果相当于机座刚度降低，使电动机在接近2f0的频率的范围发生共振，因而使定子振动增大，结果产生异常振动。
</li>
</ul>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-08/wen_zhang_/100050963-104137-4.j…; alt=“a）定子异常振动原因； b）定子振动频谱；"></center><center>a）定子异常振动原因； b）定子振动频谱；</center>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-08/wen_zhang_/100050963-104138-5.j…; alt=“c）2极电动机机座的激振振型； d）4极电动机机座的激振振型” width="600"></center><center>c）2极电动机机座的激振振型； d）4极电动机机座的激振振型</center> <center>图2 定子电磁振动的原因、频谱和振型</center>

定子电磁振动的特征

<ul>
<li>
振动频率为电源频率的2倍； 

</li>
<li>
切断电源，电磁振动立即消失； 

</li>
<li>
振动可以在定子机座和轴承上测得； 
</li>
<li>
振动幅值与机座刚度和电机的负载有关。
</li>
</ul>

气隙不均匀引起的电磁振动

气隙不均匀（或称气隙偏心）有两种情况，一种是由于定子、转子不同心产生的静态不均匀；另一种是由于轴弯曲或转子与轴不同心所产生的动态不均匀。它们都会引起电磁振动，但是振动的特征并不完全相同。

1、气隙静态不均引起电磁振动

电动机定子中心与转子轴心不重合时，定、转子之间气隙将出现偏心现象，这种气隙偏心往往固定在某一位置，它不随转子旋转而改变位置。（或定子椭圆）从图3a中可以看出，由于通过气隙最小点A的旋转磁场频率为f0/P，这时不平衡磁拉力将变化2P次，因不平衡磁拉力和电磁振动频率为

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-08/wen_zhang_/100050963-104139-6.j…; alt=“a) 静态偏心；b) 动态偏心；c) 动态偏心电磁力的拍振"></center><center>a) 静态偏心；b) 动态偏心；c) 动态偏心电磁力的拍振</center> <center>图3 静态、动态偏心的电磁振动</center>

静态气隙偏心电磁振动特征

<ul>
<li>
电磁振动频率是电源频率f0的2倍，即f=2f0； 
</li>
<li>
振动随偏心值的增大而增加，与电动机负荷关系也是如此； 
</li>
<li>
气隙偏心产生的电磁振动与定子异常产生的电磁振动较难区别。
</li>
</ul>

2、气隙动态偏心电磁振动

电动机气隙的动态偏心是由转轴挠曲、转子铁心不圆或转子与轴不同心等造成的，偏心的位置对定子是不固定的，对转子是固定的，因此，偏心位置随转子的旋转而同步的移动，如图3b所示。

旋转磁场同步速度f0/P，转子速度(1-s)f0/P，旋转磁场超越转子速度[f0/P- (1-s)f0/P] ×2P= 2sf0。所产生的电磁力时域波形是以频率2f0/P振动，同时以频率2sf0脉动，两者叠加波形（调幅）如图3c所示。

气隙动态偏心电磁振动特征

<ul>
<li>
转子旋转频率和旋转磁场同步转速频率的电磁振动都可能出现。 
</li>
<li>
电磁振动以1/(2sf0)周期在脉动，因此，在电动机负载增加，s加大时，其脉动节拍加快。 
</li>
<li>
电动机往往发生与脉动节拍相一致的电磁噪声。
</li>
</ul>

转子导体异常引起的电磁振动

笼型异步电动机因笼条断裂，绕线型异步电动机由于转子回路电气不平衡，都将产生不平衡电磁力，这不平衡电磁力F在转子旋转时是随转子一起转动的，其性质和转子动态偏心的情况相同，其发生的机理如图4所示。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-08/wen_zhang_/100050963-104140-7.j…; alt=“a) 发生振动的机理；b) 电磁振动波形"></center><center>a) 发生振动的机理；b) 电磁振动波形</center> <center>图4 转子绕组不平衡引起的电磁振动</center>

转子绕组异常引起的电磁振动的特征

<ul>
<li>
转子绕组异常引起电磁振动与转子动态偏心所产生的电磁振动的电磁力和振动波形相似。拍频都是2sf0，但高频部分不同，转子动态偏心为2sf0/P，转子绕组异常为2(1-s)f0/P。 

</li>
<li>
振动随负载增加，当负载超过50％以上时较为显著。 
</li>
<li>
电流波形或振动波形频谱图中，基频两边出现±2sf0的边频，根据边频与基频幅值之间的关系，可判断故障的程度。
</li>
</ul>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-08/wen_zhang_/100050963-104141-8.j…; alt=“图5 正常的电流频谱图” width="600"></center><center>图5 正常的电流频谱图</center>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-08/wen_zhang_/100050963-104142-9.j…; alt=“图6 一根断条时电流频谱图(满载)” width="600"></center><center>图6 一根断条时电流频谱图(满载)</center>

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