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振动电机:从原理到故障诊断


摘要:振动电机的工作原理、运行方式及结构与振动电机故障诊断技术密切相关,电机内部能量转换可分为:电气环节、磁耦合环节、机械环节三个原理,这三个环节的能量形式不同,所应用的故障诊断技术相应地有所差异。

电气环节的故障主要通过对电压、电流的各种测量和分析来诊断,如绝缘材料的老化,通过测量漏地电流来判定等等。


  电机类型特点与测定标准

  电机的主要部件

  定子:是输入电功率,产生磁场的静止部件。对于交流电机,通常定子磁场是旋转的。对于直流电机,定子磁场是静止的;

  转子:是产生一个与定子磁场相对运动的磁场,并输出机械功率的重要部件。所承受的电磁力转为输出的扭矩,因此往往要承受较大的机械应力;

  集电环和换向器:是构成旋转部分导电,建立相对运动磁场的滑动接触机构;

  轴承装置:是支撑转子旋转,保持定子、转子相对位置的机械结构。


  电机的类型与工作原理的区别

  电机的两个磁场均由直流励磁产生,则为直流电机;

  电机的一个磁场由直流励磁产生,另一个由交流电流产生。为使这两个磁场相对静止,直流励磁磁场相对交流电产生的旋转磁场必须严格同步,这就是同步电机;

  电机的两个磁场分别由不同频率的交流电流产生,则为异步电机。


  电机振动的测量与判定标准

  电机振动测定是指电机在制造厂出厂试验或试验室内的振动研究试验、检修后现场试验时的电机振动水平的准确测量,因此,对于电机的安装条件、测试仪器、测点装置、测量要求等都作了规定;

为了确定电机振动初始状态时的振动水平,判定这台电机出厂时或投入运行时振动值是否符合有关标准的规定;为以后电机异常振动的诊断提供初始的参照数据。因此电机振动的测定,其目的和方法均与电机异常振动诊断有所区别。



  电机振动标准

  GBl0068—88《旋转电机振动测定方法及限值》;

  IEC34—14(1986)《中心高为56mm及以上旋转电机的振动——振动烈度的测量、评定及限值》;

  ISO2372(1974)《转速从10r/s机器的机械振动——评定标准的基础》(国际标准化组织颁布);

  ISO3945(1985)《转速10r/s机器的机械振动——在运行地点对振动烈度的测量和评定》;

  VDI2056《机器的机械振动评价标准》。


  电机振动的测定方法

  测量值的表示方法:不同转速范围的电机,其测量值的表示方法是不同的。国家标准规定,对转速为600~3600r/min的电机,稳态运行时采用振动速度有效值表示,其单位mm/s。对转速低于600r/min的电机,则采用位移振幅值(峰—峰值)表示,其单位为mm;

  对测量仪器的要求:仪器的频率响应范围应为10~1000Hz,在此频率范围内的相对灵敏度以80Hz的相对灵敏度为基准,其他频率的相对灵敏度应在基准灵敏度+10%~-20%的范围以内,测量误差不超过±10%;测量转速低于600r/min电机的振动时,应采用低频传感器和低频测振仪,测量误差应不超过±10%。


  电机的安装要求

  弹性安装:轴中心高为400mm及以下的电机,测振时应采用弹性安装;

  刚性安装:对轴中心高超过400mm的电机,测时应刚性安装;

  电机在测定时的状态:电机的测振应在电机空载状态下进行。



  电机振动的限值

  根据国家标准GBl0068。2-88《旋转电机振动测定方法及振动限值》的规定,对不同轴中心高和转速的单台电机,在按GBl0068。1规定的方式测定时,其振动速度有效值应不超过以下规定。


安装方式
弹性悬置
刚性安装
轴中心高(mm) 45≤H≤132
132<H≤225
225H≤400
H>400
标准转速 600≤n≤1800 1.8 1.8 2.8 2.8
r/min 1800<n≤3600 1.8 2.8 4.5 2.8

电机振动速度有效值的极限标准(mm/s)



  电磁耦合系统的振动原理

  基频磁通的电磁振动

  在电机气隙中磁通密度是沿着转子的圆周的空间而随着时间按正弦波分布这一振动,在转子受椭圆形电磁力的两极电机中特别明显地表现出来;

  二倍电源频率的振动,它是电机中的主要振动分量之一,尤其是在大型电机中,由于定子的固有频率较低,这种频率的振动分析和研究显得特别重要;

  基波电磁力不仅作用于转子,也同时作用于定子。是造成定子槽内线包松动等故障的原因之一。


  电机的故障特征

  定子异常产生的电磁振动:电机运行时,转子在定子内腔旋转,由于定、转子磁场的相互作用,定子机座将受到一个旋转力波的作用,而发生周期性的变形并产生振动;

  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=60 f0/P。因此,作用在机座上的磁拉力不是静止的,而是一个旋转力,随转子旋转而转动,机座上受力部位是随磁场的旋转而在不断改变位置 。


  定子电磁振动异常的主要原因

  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;

  电机座底脚螺钉松动,其结果相当于机座刚度降低,使电机在接近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。


  定子电磁振动的特征

  振动频率为电源频率的2倍;

  切断电源,电磁振动立即消失;

  振动可以在定子机座和轴承上测得;

  振动幅值与机座刚度和电机的负载有关。


  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电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。
 
  静态气隙偏心产生的电磁振动特征是:电磁振动频率是电源频率f0的2倍,即f=2f0;


  振动随偏心值的增大而增加,与电机负荷关系也是如此,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。


  (2)气隙动态偏心电磁振动

  电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,气隙动态偏心产生电磁振动的特征是: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。电磁振动以1/(2sf0)周期在脉动,因此,在电机负载增加,s加大时,其脉动节拍加快。电机往往发生与脉动节拍相一致的电磁噪声。


  转子导体异常引起的电磁振动

  笼型异步电机因笼条断裂,绕线型异步电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 

  (1) 发生振动的机理;

  (2) 电磁振动波形。

  转子绕组异常引起的电磁振动的特征: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,现象相似,较难判别。虽然拍频都是2sf0,但电磁振动的高频部分不同,转子动态偏心的高频为2f0/P,转子绕组异常的高频为2(1-s)f0/P。

  电机负载增加时,这种振动随之增加,当负载超过50%以上时较为显著。

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