电动机转子故障的分析

吴干东 广东黄埔发电厂(广州 510730)

摘 要：电动机是电厂的主要运行设备，在实际运行中由于各方面的原因，电动机转子易出现各种形式的

故障，为此就电动机转子的故障原因进行全面分析，找出存在的问题。根据电动机转子的不同结构，可采用多种方法进行检测；至于转子绕组的损坏，根据其内部结构，分成几种情况，且根据其各种不同的形状采用相应的方法进行处理，使电动机能够重新安全地运行。 关键词：电动机 转子故障 原因 处理

在黄埔发电厂运行的电动机中，曾多次出现过转子绕组断路的情况，按时间先后摘录几例：1992年5号机C给水泵电动机转子绕组开路，铜条刮伤定子端部线棒绝缘；1994年6号机工业水泵电动机转子短路环开路；1995年油区5号供油泵电动机、1997年3号机射水泵电动机、1999年4号供油泵电动机转子开路。从中可见，不论是6kV、5500kW的高压电动机，还是380V、200kW的低压电动机都存在这种问题。因此，检修人员对此类问题必须重点关注，每次对电机大修时，均要对转子绕组作细微检查，做到预防为主。在实际工作中，我们怎样去发现问题以及采取何种对策去进行处理，是一个值得思考的问题，下面简要介绍一下转子故障的检查及相关处理方法。

1 转子故障的原因及检查方法

所有异步电动机转子绕组都是由鼠笼或绕线组成。鼠笼转子绕组又分为铜条焊接和铸铝两种。转子的故障大多发生在鼠笼转子的两端。对于绕线式转子的故障与定子绕组故障检查的方法差不多，比较容易判断和处理，在此不详细讨论。此处主要讨论鼠笼式电动机的检查方法。

1.1 铸铝转子的检查

电机运行时，根据其声音和电流表的指示可初步判断其情况。当判断为存在故障时，在电机停运后，拆开电机，抽出转子，此时主要检查有无断条、裂纹等缺陷。这是因为故障中断条所占比例较多，而且这种故障一般是浇铸工艺质量差或频繁起动受力过大所造成。对于这种情况用下面方法可查出：(1)定子通入三相低压电流法。将转子慢慢转动，当电流表指针实然下降时，即可判断该处为断条处。(2)转子导条通电流法。给转子加20～30V交流电，在转子上撒铁粉，不吸铁粉处即为断条点，表明此处无电流通过，产生不出电磁场。不过这种方法应尽量少用，因为铁粉难于彻底清干净，电机运行时极易引起接地短路或相间短路。(3)转子断条检查法。如图1所示，若鼠笼条是完好的，因为其等效电阻较小，故副边绕组的端电压值很小，而原边电流却比较大；若鼠笼条有断裂则其电阻相应变大，此时电压值变大，原边电流则相对较小。

1.2 铜条转子的结构和故障的原因

焊接鼠笼转子是采用成型裸铜导体，两端与铜端环焊接成绕组回路。笼条的截面多种多样，有圆形、矩形、楔形等各种规格。端环通常钻孔后与对应铜条相连接。有些电机没有钻孔，只是表面相连焊，这种情况特别容易因应力、电磁力等产生裂缝。对于2极高速电机，

一般由于端环不是整块铜料锻成，其接焊缝焊接不良，在运行中受热应力容易造成开裂。此时，往往还会因铜甩出而刮伤定子绕组的端部绝缘层，引起相间短路或对地短路。铜条断裂大多发生在伸出铁芯端靠近端环焊接处。断裂的一般原因是由于长期受热力和电磁力作用而产生疲劳损伤。比如起动过程中铜条上下温差大，热膨胀不匀；双鼠笼条转子的外笼条铜条密度太大，致使在起动瞬时温升超高；起动时铜条的离心力和切向应力作用使铜条受到朝向铁心槽口方向的冲力；双鼠笼铜条与铁芯配合过松致使铜条在槽内发生振动；冷轧铜条在焊接过程中受热退火不匀而使机械强度降低等等，这些因素均可引起铜条或端环断裂。

1.3 铜条焊接转子的故障检查

根据上述故障原因，可采用如下的检查方法：(1)可采用铸铝转子故障的检查方法和工具。(2)可采用另外一种方法，就是根据其电阻的大小来判断的方法。这种方法可直观、准确地测出焊接点的缺陷。检查时把针形插棒直接插入铜条的末端靠近端环附近。在笼条完好的情况下，微欧表测量出的是整个笼条的电阻，当铜条在焊点处断裂时，则微欧表测出的是一条铜条的有效电阻。当该电阻值超过正常值的1.5倍时，就应处理该铜条。

2 绕组的材料

为了对转子绕组有进一步了解，有必要分析一下铜绕组的材料。当异步电动机容量大于100kW时，由于铸铝质量不易保证，常采用铜条绕组，而为了消除齿谐波的影响，把转子槽做成斜槽。大电机转子内外笼条采用不同材料，且二者的作用性质也不同。内笼条为运行绕组，用导电率ρ较小的紫铜，根据公式R＝ρl/S，可知电阻与电阻率成正比，ρ↓→R↓，而热量Q＝0.24I2Rt，Q亦正比例于R，从中可推断出ρ↓→R↓→Q↓，这对于长期运行的转子绕组来讲，热量的降低无疑延长了绕组的运行寿命；外笼条为起动绕组，用导电率较大的青铜或黄铜制成，根据上述分析，外笼条在相同条件下比内笼条发热程度要高，但由于位于转子外侧，与定子之间又有间隙，且间隙大小与电机容量成正比，因此散热比较容易。

3 转子故障的处理 3.1 铜转子绕组

鼠笼绕组断条是电动机常见故障。断条后电动机虽可空载起动，但当带满负载时其定子电流就会不稳，电流表来回摆动，有时电动机还会发出异声。经用前述方法确定断条后就可进行修理。其修理方法如下：(1)转子铜条的断条故障大部分是铜条和短路环的焊接处脱焊，此时处理起来比较方便，象5号机C给水泵电机处理那样，先清理、后银焊。当然，清理并不是一件容易做到的事，因电机运行时间长，转子处灰尘、油渍、青苔等积累较多，因而清理起来相当困难，用手锉、电动磨光机耐心打磨，必须打磨干净，否则无法焊牢。(2)检查出铜条在转子槽中部发生断裂，则应将断裂的铜条完全打出，然后仔细清理铁心槽内的杂物，再根据槽形尺寸裁出适当的新铜条打入槽内，用银焊把它与端环焊接牢固。之后，用环氧树脂填充转子槽内的气隙，使铜条与铁心凝固成一个整体，这样就可有效地防止铜条在槽内振动而引起疲劳断裂。

3.2 铸铝转子绕组

这种情况修理起来相当困难，只能采用2种方法：(1)送厂家重新浇铸；(2)使整个转子铸铝熔化后，改成铜条绕组。具体处理过程是：在铸铝被全部熔化后，在空出的铸铝槽中，

根据槽的形状和大小，把整条紫铜加工成几段长方体，而且其表面积应小于槽面积的2/3，这样就可避免起动时转矩减小、定子电流增大等问题的出现，从而可使电机在满负荷下平稳地运转，紫铜条的长度和宽度必须符合一定的比例，不能使它在槽内有过多的间隙，以免产生振动。紫铜条全部放进槽内后，在两端用短路环连接，焊接成两个小端环，而组成一个闭合回路。

4 结束语

经上述2种方法处理后的转子，都需要重新校验几何平面并作动力平衡试验，促使转子能在一个中心下均匀地切割磁力线，从而使电机平稳运行，电机从开始出现故障，到找出故障点以及经过多个环节的处理，需花费很多人力和物力才能完成。因此，对此问题必须引起高度重视。 参考文献

[1] 许实章.电机学.北京：机械工业出版社，1985. [2] 杨宪章.电磁场原理.北京：高等教育出版社，1987.

基于瞬时功率信号频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故障在线诊断方法

摘 要：该文介绍了一种基于瞬时功率频谱分析的鼠笼式异步电动机转子故障监测与诊断方法。采集定子某两个端子之间的线电压和对应的线电流，由二者的乘积即可构成瞬时功率信号。理论分析表明，与常见的基于定子线电流频谱分析方法相比，使用瞬时功率信号能避免基波电流对故障特征成分的影响，更好地突出故障特征，分离复合故障。这些都有益于对故障程度的量化，和诊断规则的建立。通过对样机进行断条和偏心故障设置，多种故障情况下的实验结果也证实了上述结论。

关键词：鼠笼式异步电动机；转子；故障诊断；瞬时功率；频谱分析

1 引言

转子断条和偏心是鼠笼式异步电动机的常见故障，若不能及时发现而让其继续“带病”运行，时间过长可能造成设备损坏，产量下降，维护费用增大等不良后果。 为了能在其形成的初期尽早发现故障，需要有可靠的监测与诊断方法。监测的途径很多，

[1-2]

如定子电流信号监测、振动信号监测、轴电压监测、轴向漏磁监测等。定子电流监测方法因可以做成非侵入式而得到最为广泛的应用。

当转子出现断条、端环断裂等故障时，会在定子电流中产生频率为 fbr=(1±2ks)f1 (1)

的故障特征成分，k=1,2,3„；当电动机转子出现偏心故障时，定子电流中会产生频率为

fece=(f1±mfτ) (2)

的故障特征成分，m=1,2,3„。其中f1为外加电压频率；fr为转子旋转频率（fr =(1-s) f1/p；s为转差率；p为电机的极对数）。

最典型的电流监测与诊断方法是对采样的单个线电流信号进行频谱分析，根据频谱中是

否存在与故障相关的特征频率成分及其大小来判定故障是否存在及故障的程度。这种方法简单易行，硬软件开销小。但是，通常异步电动机额定运行时的转差率就小，轻载或空载时的转差率更小。转子断条的主要特征频率为(1±2s)f1，因s很小，(1±2s)f1与f1很接近，且幅值相差很悬殊，导致线电流的频谱中前者容易被后者淹没，难以准确诊断故障。为此，需要消除基波对断条故障特征频率成分的影响，直接滤除线电流信号中的基波成分同样会影响到断条特征频率成分。一般的做法是利用自适应陷波滤波[3-4]途径来减小基波分量。从线电压信号中选择一个与基波电流相位相近的分量，然后与电流信号的转换值相减，同样可以减小基波的影响，更好地突出故障特征，这就是相关抵消法[5]的基本思想。

同时采集多相电流、电压信号，经适当的转换来突出断条故障特征，是近年来的努力方向。Park’矢量方法[6-8]是同时采样三相电流，将其转换到静止的两轴坐标系(、b)中，由

i、i形成的轨迹来进行故障诊断。扩展 的Park’矢量方法[9]是通过对由构成的

所谓的Park’矢量模进行频谱分析来进行故障诊断，这种方法可将基波转换成直流分量，断条特征频率成分转换为频率为2sf1、4sf1等新特征成分。其不足在于由于平方项的引入而产生的众多交叉项，使频谱复杂化。若将三相电流转换到同步旋转的坐标系中，由id或iq分量的频谱分析来进行故障诊断[10]，同样可将基波转换成直流分量，故障特征明显，没有交叉项的产生，使频谱更简洁。文[11]提出了一种利用小波分析、同时结合自适应滤波与连续细化Fourier变换进行转子断条检测的方法，据称该方法可以克服负载波动对故障特征的影响。

本文将利用瞬时功率的概念，分析鼠笼式异步电动机转子故障的特征在瞬时功率中的表现，并用实验来验证对瞬时功率进行频谱分析来诊断电机故障的有效性。

2 瞬时功率及转子故障在其中的表现

2.1 正常的鼠笼式异步电动机的瞬时功率表达式

[4、12]

定义瞬时功率为

式中 uab为电动机的线电压；ia为流经a、b两相的线电流。

正常情况下的异步电动机，当定子外加电压为理想的正弦波形时，忽略加工过程中电机结构上的固有不对称性，定子电流也为同频率的正弦波。分别可写为

式中 w1为外加基波电压的角频率；Um1为基波线电压的幅值；Im1为基波电流的幅值；j为基波电流落后于电压的相位角。

将式(2)代入式(1)中，可得正常电机的瞬时功率为

式(3)表明，定子电流中基波电流成分与电压作用，产生了一个频率为2f1的分量和一个恒定分量，该恒定分量就是通常意义上的有功功率。

2.2 转子导条断裂时的瞬时功率表达式

当转子出现导条断裂时，会在定子电流中产生频率为(1±2ks)f1的故障特征频率成分。其中以k=1时的特征成分幅值最大。取k =1，有

式中 Ibp1、Ibn1分别为断条故障对应的两个特征电流分量的幅值；fbp1、fbn1依次为上述电流分量的初相位。

此时的瞬时功率为

由表达式(5)不难看出：定子电流中的基波电流成分与电压作用，产生了频率为2f1的分量和恒定分量；频率为(1-2s)f1的断条特征分量与基波电压作用产生了频率分别为(2-2s)f1和2sf1的两个分量；频率为(1+2s)f1的断条特征分量与基波电压作用产生了频率分别为(2+2s)f1和2sf1的两个分量。如前所述，常规的线（或相）电流频谱分析方法的缺点是难以突出故障特征，尤其是转子断条的特征频率成分(1±2s)f1容易被基波的泄漏淹没。而在瞬时功率信号的频谱中，频率分别为2f1、(2-2s)f1、(2+2s)f1等成分同样存在上述问题，但频率为2sf1的成分即可构成转子断条的有效判据。

2.3 转子偏心时的瞬时功率表达式

当鼠笼式异步电动机出现转子偏心时，定子电流中将出现频率为f1±mfr的偏心故障特征成分，尤其是m=1时的特征成分最明显，适合于用来进行偏心故障诊断。取m=1时的定子电流可表示成

由表达式(7)同样可以看出：定子电流中的基波电流成分与电压作用，产生了频率2f1的分量和一个恒定分量；频率为(f1-mfr)的偏心特征分量与基波电压作用产生了频率分别为(2f1-fr)和fr的两个分量；频率为(f1+mfr)的偏心特征分量与基波电压作用产生了频率分别为(2f1+fr)和fr的两个分量。fr即可构成转子偏心的有效判据。

2.4 断条和偏心故障同时存在时的瞬时功率表达形式

当鼠笼式异步电动机同时存在上述两种故障时，由式(6)和式(7)很容易得到此时的瞬时功率表达式

当k和m取其他值时，同样有上述转换过程，图1总结了上述变换过程中的频率转换关系，在瞬时功率的频谱中，既有恒定分量及其周围的故障特征频率成分（频率分别为直流、2ksf1、mfr），也有2倍基波频率及其周围 的故障特征频率成分（频率分别为

，由于后者仍然没有解决断条特征成分容易被淹没的问题，显然前

者适合于用来进行转子故障诊断，后面的实验结果也会证明这一点。

3 实验验证

为了验证该方法对鼠笼式异步电动机转子故障诊断的有效性，笔者选用一台湖北电机厂生产的Y100L1-4型鼠笼式异步电动机作为实验对象，进行了正常导条+偏心、转子一根断条+偏心、转子二根断条+偏心、转子三根断条+偏心等复合故障实验，四种情况下的电动机运转速度均为1440r/min，各电量的采样频率为10000Hz。该电机的主要技术数据见表1。

同时显示了电机在四种不同的状态下瞬时功率信号的频谱分析结果，4条曲线由上到下依次对应正常导条+偏心、转子1根断条+偏心、转子2根断条+偏心、转子3根断条+偏心等情况。与文章第二部分预期的一样，电流中的基波成分与电压基波作用，生成了直流分量和2f1分量；断条特征成分与电压基波作用，生成了频率分别为2f1、

为了更好地与线电流频谱分析方法相比较，~6分别显示了0~100Hz频率范围内样机在四种状态下的瞬时功率和线电流的频谱分析结果。各图的上面一条为瞬时功率的频谱曲线，下面一条为线电流的频谱曲线。从图中可以看出，瞬时功率的恒定分量周围的故障特征频率成分明显地被突出，即使在线电流中断条特征不太显著，甚至被基波成分所淹没的情况下，在瞬时功率中断条故障特征也能得到充分的反映。而且随着断条数目的增多，故障特征成分的幅值明显增大，适合用诊断故障程度。

4 结论

本文从瞬时功率的定义出发，导出了鼠笼式异步电动机在断条和偏心故障情况下，故障特征在瞬时功率中的表现形式。公式表明，线电流中的基波成分与瞬时功率中的恒定分量和两倍频分量相对应；线电流中频率为(12ks)f1的断条故障特征频率成分与瞬时功率中的频率为2ksf1、2f1 2ksf1的分量相对应；线电流中频率为(f1mfr)的偏心故障特征频率成分与瞬时功率中的频率为mfr、2f1mfr的分量相对应。由瞬时功率中频率为2ksf1与mfr的成分来构成转子断条和偏心的有效诊断标志量，可以克服线电流频谱中断条特征成分容易被基波淹没的缺点。实验结果证实了上述结论。