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電機(jī)的故障和診斷技術(shù)與電機(jī)的工作原理、運(yùn)行方式、具體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。無(wú)論是何種電機(jī)，其內(nèi)部按能量轉(zhuǎn)換的原理分為三個(gè)環(huán)節(jié)（或稱系統(tǒng)）：電氣環(huán)節(jié)、磁耦合環(huán)節(jié)、機(jī)械環(huán)節(jié)。因?yàn)檫@三個(gè)環(huán)節(jié)的能量形式不同，所應(yīng)用的故障診斷技術(shù)相應(yīng)地有所差異。電氣環(huán)節(jié)的故障主要通過(guò)對(duì)電壓、電流的各種測(cè)量和分析來(lái)診斷，例如絕緣材料的老化，通過(guò)測(cè)量漏地電流來(lái)判定等等。
電機(jī)類(lèi)型特點(diǎn)與測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)
1 電機(jī)的主要部件
定子。是輸入電功率，產(chǎn)生磁場(chǎng)的靜止部件。對(duì)于交流電機(jī)，通常定子磁場(chǎng)是旋轉(zhuǎn)的。對(duì)于直流電機(jī)，定子磁場(chǎng)是靜止的。
轉(zhuǎn)子。是產(chǎn)生一個(gè)與定子磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)，并輸出機(jī)械功率的重要部件。所承受的電磁力轉(zhuǎn)為輸出的扭矩，因此往往要承受較大的機(jī)械應(yīng)力。
集電環(huán)和換向器。是構(gòu)成旋轉(zhuǎn)部分導(dǎo)電，建立相對(duì)運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)。
軸承裝置。是支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，保持定子、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
2 電機(jī)的類(lèi)型與工作原理的區(qū)別
電機(jī)的兩個(gè)磁場(chǎng)均由直流勵(lì)磁產(chǎn)生，則為直流電機(jī)；
電機(jī)的一個(gè)磁場(chǎng)由直流勵(lì)磁產(chǎn)生，另一個(gè)由交流電流產(chǎn)生。為使這兩個(gè)磁場(chǎng)相對(duì)靜止，直流勵(lì)磁磁場(chǎng)相對(duì)交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)必須嚴(yán)格同步，這就是同步電機(jī)。
電機(jī)的兩個(gè)磁場(chǎng)分別由不同頻率的交流電流產(chǎn)生，則為異步電機(jī)。
電機(jī)振動(dòng)的測(cè)量與判定標(biāo)準(zhǔn)
電機(jī)振動(dòng)測(cè)定是指電機(jī)在制造廠出廠試驗(yàn)或試驗(yàn)室內(nèi)的振動(dòng)研究試驗(yàn)、檢修后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)的電機(jī)振動(dòng)水平的準(zhǔn)確測(cè)量，因此，對(duì)于電機(jī)的安裝條件、測(cè)試儀器、測(cè)點(diǎn)裝置、測(cè)量要求等都作了規(guī)定。
這種測(cè)定的目的：為了確定電機(jī)振動(dòng)初始狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)水平，判定這臺(tái)電機(jī)出廠時(shí)或投入運(yùn)行時(shí)振動(dòng)值是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；
為以后電機(jī)異常振動(dòng)的診斷提供初始的參照數(shù)據(jù)。因此電機(jī)振動(dòng)的測(cè)定，其目的和方法均與電機(jī)異常振動(dòng)診斷有所區(qū)別。
1 電機(jī)振動(dòng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
GBl0068—88《旋轉(zhuǎn)電機(jī)振動(dòng)測(cè)定方法及限值》（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）
IEC34—14(1986)《中心高為56mm及以上旋轉(zhuǎn)電機(jī)的振動(dòng)——振動(dòng)烈度的測(cè)量、評(píng)定及限值》（電工協(xié)會(huì)頒布）
ISO2372(1974)《轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/s機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)——評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)》（標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布）
ISO3945(1985)《轉(zhuǎn)速10r/s機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)——在運(yùn)行地點(diǎn)對(duì)振動(dòng)烈度的測(cè)量和評(píng)定》（標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布）
VDI2056《機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(德國(guó)標(biāo)準(zhǔn))
2 電機(jī)振動(dòng)的測(cè)定方法
 測(cè)量值的表示方法
不同轉(zhuǎn)速范圍的電機(jī)，其測(cè)量值的表示方法是不同的。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)轉(zhuǎn)速為600～3600r/min的電機(jī)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)采用振動(dòng)速度有效值表示，其單位mm/s。對(duì)轉(zhuǎn)速低于600r/min的電機(jī)，則采用位移振幅值（峰—峰值）表示，其單位為mm。
對(duì)測(cè)量?jī)x器的要求
儀器的頻率響應(yīng)范圍應(yīng)為10～1000Hz，在此頻率范圍內(nèi)的相對(duì)靈敏度以80Hz的相對(duì)靈敏度為基準(zhǔn)，其他頻率的相對(duì)靈敏度應(yīng)在基準(zhǔn)靈敏度+10％～－20％的范圍以內(nèi)，測(cè)量誤差不超過(guò)±10％。
測(cè)量轉(zhuǎn)速低于600r/min電機(jī)的振動(dòng)時(shí)，應(yīng)采用低頻傳感器和低頻測(cè)振儀，測(cè)量誤差應(yīng)不超過(guò)±10％。
電機(jī)的安裝要求
彈性安裝。軸中心高為400mm及以下的電機(jī)，測(cè)振時(shí)應(yīng)采用彈性安裝。
剛性安裝。對(duì)軸中心高超過(guò)400mm的電機(jī)，測(cè)時(shí)應(yīng)剛性安裝。
電機(jī)在測(cè)定時(shí)的狀態(tài)
電機(jī)的測(cè)振應(yīng)在電機(jī)空載狀態(tài)下進(jìn)行

 

圖1 小型電機(jī)測(cè)點(diǎn)布置

 

圖2 端蓋軸承電機(jī)的測(cè)點(diǎn)布置

 

3 電機(jī)振動(dòng)的限值

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBl0068.2-88《旋轉(zhuǎn)電機(jī)振動(dòng)測(cè)定方法及振動(dòng)限值》的規(guī)定，對(duì)不同軸中心高和轉(zhuǎn)速的單臺(tái)電機(jī)，在按GBl0068.1規(guī)定的方式測(cè)定時(shí)，其振動(dòng)速度有效值應(yīng)不超過(guò)表1的規(guī)定。

表1  電機(jī)振動(dòng)速度有效值的極限標(biāo)準(zhǔn)（mm/s）

磁耦合系統(tǒng)的振動(dòng)原理
1 基頻磁通的電磁振動(dòng)
在電機(jī)氣隙中磁通密度是沿著轉(zhuǎn)子的圓周的空間而隨著時(shí)間按正弦波分布，可以用下式表示：
由于磁通密度的作用力與磁通密度B的平方成正比：
根據(jù)上式可知基波電磁力具有以下特點(diǎn)：
頻率為電源頻率的兩倍，即2f=100Hz；
以正弦波規(guī)律在圓周上分布；
隨時(shí)間以角速度ω回轉(zhuǎn)。
基波電磁振動(dòng)：
空氣隙長(zhǎng)度和磁路不平衡時(shí)；
一次電壓不平衡時(shí)；
轉(zhuǎn)子繞組不平衡(斷條和接觸不良)時(shí)。

這一振動(dòng)，在轉(zhuǎn)子受橢圓形電磁力的兩極電機(jī)中特別明顯地表現(xiàn)出來(lái)。圖4表示了基波電磁力F的圓周方向的分布情況。
二倍電源頻率的振動(dòng)，它是電機(jī)中的主要振動(dòng)分量之一，尤其是在大型電機(jī)中，由于定子的固有頻率較低，這種頻率的振動(dòng)分析和研究顯得特別重要。
基波電磁力不僅作用于轉(zhuǎn)子，也同時(shí)作用于定子。是造成定子槽內(nèi)線包松動(dòng)等故障的原因之一。
2 高頻磁通的槽振動(dòng)
由于槽的磁導(dǎo)率變化等原因，產(chǎn)生高頻槽振動(dòng)，在它引起的槽齒諧波中，特別要注意的頻率成分是fk：

根據(jù)K值，電磁力的各階模態(tài)呈如圖5所示的形狀。

圖5 電磁力的各階模態(tài)

 

這種電磁力是一種徑向力波(又稱旋轉(zhuǎn)波)，并且是單位面積上的力，當(dāng)這些力波頻率以及其階次與定子對(duì)應(yīng)的固有頻率及其模態(tài)階次接近或一致時(shí)，將發(fā)生共振效應(yīng)，此時(shí)，電機(jī)的振動(dòng)和噪聲將特別大。

例如，一臺(tái)四極電機(jī)，P=2，轉(zhuǎn)子的槽數(shù)ZR =40，定子槽數(shù)ZS =48，先計(jì)算其模態(tài)階數(shù)K：

 

圖6 交流感應(yīng)電機(jī)（P=2，ZR =40，ZS=48）的聲音頻譜圖

圖6是對(duì)這臺(tái)電機(jī)在距其一米的位置，用電容式傳聲器測(cè)試的聲音信號(hào)的頻譜。其中，fk0=1000Hz，fk1=1100Hz的頻率成分能明確地看出來(lái)，此時(shí)，前述的fk1=1100Hz是占主要的，而fk2=900Hz則看不出來(lái)。

4 直流及同步電機(jī)的電磁振動(dòng)

直流電機(jī)的主磁極和轉(zhuǎn)子繞組之間作用著半徑方向的電磁力F(x，t)——這是振動(dòng)的原因，它可用下式表示：

 

圖7 電磁力F(x，t)在圓周上的分布——振型模態(tài)
圖7 電磁力F(x，t)在圓周上的分布——振型模態(tài)這個(gè)力F(x，t)在空間上以余弦波cos(μZRx)在圓周上分布，圓周上具有的余弦波數(shù)根據(jù)μ的值如圖7所示分布。并保持這種分布形狀以槽角速度(μZRωr)旋轉(zhuǎn)，形成激振力引起定子振動(dòng)。
定子根據(jù)μ的值產(chǎn)生伸縮模態(tài)、彎曲模態(tài)、橢圓模態(tài)、三角形模態(tài)而變形。
直流電機(jī)主要的激振力與槽頻率fz：
這個(gè)振動(dòng)電磁力F(x，t)在時(shí)間上面的公式第二項(xiàng)看，是用cos(μZRωrt)表示的余弦波，因此，作為振動(dòng)頻率體現(xiàn)出的成份是下式的槽頻率fz。
直流電機(jī)主要的激振力為這個(gè)fz和其高次諧波。
當(dāng)槽數(shù)ZR=75，極對(duì)數(shù)2P=6時(shí)，
N=300 rpm時(shí)，fz=375 Hz；
N=1200 rpm時(shí)，fz=1500 Hz
對(duì)于同步電機(jī)的電磁噪聲和振動(dòng)頻率，它有一個(gè)大的特點(diǎn)，就是與電網(wǎng)頻率成整數(shù)倍的關(guān)系。在同步電機(jī)中，有二類(lèi)徑向力波引起的振動(dòng)必須注意：
其一是二倍電網(wǎng)頻率的振動(dòng)；
其二是定、轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)相互作用，而產(chǎn)生的徑向力波引起的振動(dòng)。
對(duì)于直流電機(jī)的故障特征可以歸納為以下幾條：
如果轉(zhuǎn)頻fr 的振動(dòng)很明顯，則有不平衡、軸彎曲等機(jī)械異常。
如果2xfr 振動(dòng)明顯，則有不對(duì)中等安裝方面的異常。
槽頻率fz以及邊頻帶fz±fr 的振動(dòng)明顯，則有包括電路異常的電氣故障的可能。
如fz和fn接近，則設(shè)計(jì)不合理。
高頻fc成分明顯時(shí)，線圈絕緣磨損或楔松動(dòng)。
電機(jī)的故障特征
1 定子異常產(chǎn)生的電磁振動(dòng)
電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)，由于定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用，定子機(jī)座將受到一個(gè)旋轉(zhuǎn)力波的作用，而發(fā)生周期性的變形并產(chǎn)生振動(dòng)。
由于定子三相繞組產(chǎn)生的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它在定、轉(zhuǎn)子氣隙中以同步速度n0旋轉(zhuǎn)。若電網(wǎng)頻率為f0，則同步速度n0=60 f0/P。因此，作用在機(jī)座上的磁拉力不是靜止的，而是一個(gè)旋轉(zhuǎn)力，隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)座上受力部位是隨磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)而在不斷改變位置。從（圖8c-e）中可以看出，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)回轉(zhuǎn)一周，磁拉力和電磁振動(dòng)卻變化兩次。

 

a) 2極電機(jī)定、轉(zhuǎn)子和磁通  b) 定子所受電磁力和旋轉(zhuǎn)力波
c) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)波形  d) 磁拉力變化波形  e) 電磁振動(dòng)的波形
電機(jī)磁場(chǎng)是以同步速度n0在旋轉(zhuǎn)，則其磁場(chǎng)交變頻率與電網(wǎng)頻率相同，為f0。而其電磁力的頻率和機(jī)座振動(dòng)頻率由圖8b中可以看出，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極產(chǎn)生的電磁拉力是每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，電磁力交變P次。
因電磁振動(dòng)在空間位置上和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是同步的，定子電磁振動(dòng)頻率應(yīng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率(f0/P)和電磁力極數(shù)(2P)之乘積2f0，也就是2倍的電源頻率。由此可知，電機(jī)在正常工作時(shí)，機(jī)座上受到一個(gè)頻率為電網(wǎng)頻率2倍的旋轉(zhuǎn)力波的作用，而可能產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)大小則和旋轉(zhuǎn)力波大小和機(jī)座剛度直接有關(guān)。
2 定子電磁振動(dòng)異常的主要原因：
定子三相磁場(chǎng)不對(duì)稱。如電網(wǎng)三相電壓不平衡，因接觸不良造成單相運(yùn)行，定子繞組三相不對(duì)稱等原因，都會(huì)導(dǎo)致定子磁場(chǎng)的不對(duì)稱，而產(chǎn)生異常振動(dòng)。
定子鐵心和定子線圈松動(dòng)，將使定子電磁振動(dòng)和電磁噪聲加大，在這種情況下，振動(dòng)頻譜圖中，電磁振動(dòng)除了2f0的基本成份之外，還可以出現(xiàn)4f0、6f0、8 f0的諧波成分。
電機(jī)座底腳螺釘松動(dòng)，其結(jié)果相當(dāng)于機(jī)座剛度降低，使電機(jī)在接近2f0的頻率的范圍發(fā)生共振，因而使定子振動(dòng)增大，結(jié)果產(chǎn)生異常振動(dòng)。
3 定子電磁振動(dòng)的特征：
振動(dòng)頻率為電源頻率的2倍；
切斷電源，電磁振動(dòng)立即消失；
振動(dòng)可以在定子機(jī)座和軸承上測(cè)得；
振動(dòng)幅值與機(jī)座剛度和電機(jī)的負(fù)載有關(guān)
6 氣隙不均勻引起的電磁振動(dòng)
氣隙不均勻（或稱氣隙偏心）有兩種情況：
一種是由于定子、轉(zhuǎn)子不同心產(chǎn)生的靜態(tài)不均勻；
另一種是由于軸彎曲或轉(zhuǎn)子與軸不同心所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)不均勻。
它們都會(huì)引起電磁振動(dòng)，但是振動(dòng)的特征并不*相同，分述于下。
1 氣隙靜態(tài)不均引起電磁振
電機(jī)定子中心與轉(zhuǎn)子軸心不重合時(shí)，定、轉(zhuǎn)子之間氣隙將出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，這種氣隙偏心往往固定在某一位置，它不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變位置。從圖9a中可以看出，由于通過(guò)氣隙zui小點(diǎn)A的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率為f0/P，這時(shí)不平衡磁拉力將變化2P次，因不平衡磁拉力和電磁振動(dòng)頻率為

圖9 靜態(tài)、動(dòng)態(tài)偏心的電磁振動(dòng)

a) 靜態(tài)偏心 ；b) 動(dòng)態(tài)偏心；c) 動(dòng)態(tài)偏心電磁力的拍振
靜態(tài)氣隙偏心產(chǎn)生的電磁振動(dòng)特征是：
電磁振動(dòng)頻率是電源頻率f0的2倍，即f=2f0；
振動(dòng)隨偏心值的增大而增加，與電機(jī)負(fù)荷關(guān)系也是如此；
氣隙偏心產(chǎn)生的電磁振動(dòng)與定子異常產(chǎn)生的電磁振動(dòng)較難區(qū)別。
2 氣隙動(dòng)態(tài)偏心電磁振動(dòng)
電機(jī)氣隙的動(dòng)態(tài)偏心是由轉(zhuǎn)軸撓曲、轉(zhuǎn)子鐵心不圓或轉(zhuǎn)子與軸不同心等造成的，偏心的位置對(duì)定子是不固定的，對(duì)轉(zhuǎn)子是固定的，因此，偏心位置隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而同步的移動(dòng)，如圖9b)所示。
氣隙動(dòng)態(tài)偏心產(chǎn)生電磁振動(dòng)的特征是：
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速頻率的電磁振動(dòng)都可能出現(xiàn)。
電磁振動(dòng)以1/(2sf0)周期在脈動(dòng)，因此，在電機(jī)負(fù)載增加，s加大時(shí)，其脈動(dòng)節(jié)拍加快。
電機(jī)往往發(fā)生與脈動(dòng)節(jié)拍相一致的電磁噪聲。
7 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體異常引起的電磁振動(dòng)
籠型異步電機(jī)因籠條斷裂，繞線型異步電機(jī)由于轉(zhuǎn)子回路電氣不平衡，都將產(chǎn)生不平衡電磁力，這不平衡電磁力F在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)是隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，其性質(zhì)和轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心的情況相同，其發(fā)生的機(jī)理如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)子繞組不平衡引起的電磁振動(dòng)
a) 發(fā)生振動(dòng)的機(jī)理；b) 電磁振動(dòng)波形
轉(zhuǎn)子繞組異常引起的電磁振動(dòng)的特征：
轉(zhuǎn)子繞組異常引起電磁振動(dòng)與轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心所產(chǎn)生的電磁振動(dòng)的電磁力和振動(dòng)波形相似，現(xiàn)象相似，較難判別。雖然拍頻都是2sf0，但電磁振動(dòng)的高頻部分不同，轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心的高頻為2f0/P，轉(zhuǎn)子繞組異常的高頻為2(1－s)f0/P。
電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，這種振動(dòng)隨之增加，當(dāng)負(fù)載超過(guò)50％以上時(shí)較為顯著。
若對(duì)電機(jī)定子電流波形或振動(dòng)波形作頻譜分析，在頻譜圖中，基頻兩邊出現(xiàn)±2sf0的邊頻，根據(jù)邊頻與基頻幅值之間的關(guān)系，可判斷故障的程度。