各類電機的故障現象及機理

　　旋轉機械是指主要依靠旋轉動作完成特定功能的機械，如汽輪機、燃氣輪機、水輪機、電動機、發電機和航空發動機等。電動機是驅動風機、水泵、壓縮機等旋轉機械的主要設備，電動機的用電量占到整個工業用電量的70*以上，是旋轉機械中數量龐大的一類設備，而中小型電動機涵蓋功率范圍0.55kW～5000kW、電壓范圍380V～10kV、機座號范圍H80～H630，目前我國的中小型電機產品約有300多個系列、1500多個品種，每年的生產量占到整個電動機年產量的60*～70*，廣泛應用于工業、農業、商業、運輸、國防等國民經濟的各個領域，中小型電機的安全可靠運行事關重大。

　　電機作為各種旋轉機械的主要驅動設備，廣泛應用于工業生產中的各個領域，一臺大型設備或一條生產線往往需要幾十臺、甚至數百臺的驅動和控制電機，哪怕只有其中一臺電機發生故障，將導致整套設備、系統或生產線故障；而現代化大生產特別強調連續性，要求成套設備可靠，不間斷地運行，由于設備運行的中斷，哪怕僅僅幾小時，其損失就可高達幾十萬、幾百萬甚至更多，嚴重的可能造成成套設備的報廢。因此，與之配套的電動機安全可靠地連續運行，顯得至關緊要。

　　本文從對各類在正常運行中的電機的各個敏感參數進行檢測，指出其中出現的異常現象，并提出一系列用于診斷的方法和步驟，用以幫助電機使用方較早的發現問題，更快的解決問題；以避免由于各種微小的故障發現不及時導致的問題擴大從而造成設備的停機甚至損壞。

　　1電機故障的主要現象

　　電動機作為能將電能轉換為機械能以供使用的用電設備，被廣泛地應用于工業以及家用領域的基礎。結構比較簡單，由定子和轉子兩個主要部分，以及端蓋、軸承、風扇等輔件構成。

　　在電機運行中，這些部件都有可能出現問題，有些是制造過程中的工藝不當或設計不當，有些是使用過程中的勞損或使用不當，這些問題都會造成各類的異常現象，綜合起來有以下幾類現象：溫度異常、振動噪聲異常、電參數異常等。

　　2各類電機的故障現象及機理

　　2.1溫度異常

　　2.1.1概述

　　電動機的主要發熱部件一般為繞組以及軸承，具體到表象上的溫度異常一般分為以下幾類：軸承溫度過高、繞組溫度過高、機殼溫度過高等。

　　2.1.2軸承溫度過高

　　2.1.2.1軸承溫度過高的危害

　　電動機的軸承作為支撐轉子的主要部件，如果出現溫度過高而不解決，會導致電機軸承損耗變大，效率變低；甚至可能導致電機軸承咬死，造成電機突然失速；造成整套傳統系統的損毀。因此，對電機軸承狀況的監測至關重要。

　　2.1.2.2軸承溫度過高的原因

　　造成軸承溫度過高的原因一般有以下幾類磨損：機械部件在長期的運行過程中必然會發生損耗，正常運行的電機應該每隔幾年對軸承進行更換，這方面的懈怠可能造成軸承的過度磨損。過度磨損后的軸承會產生一系列的現象，如軸承溫度過高、軸承振動變大以及軸承異響等。

　　缺油：電機的軸承中會添加潤滑脂用以對軸承進行潤滑，正常運行中的電機軸承內的潤滑脂會逐漸損耗，當潤滑脂損耗過大時，會造成潤滑不暢，進而造成電機軸承溫度顯著升高。當發現軸承溫度過高而無其他伴生現象時，應當停機檢查電機的軸承情況。

　　其它：電機作為一個整體部件，各個部件的溫度過高都有可能傳導到軸承上而導致軸承溫度過高，因此，當排查出軸承無異常后，應當著重檢查問題軸承附近的電機各個部件的異常狀況。

　　軸承溫度顯著升高的問題需要及時排查，因為這類問題如不及時解決，當軸承溫度過高時，可能會造成潤滑脂蒸發等現象，會大大增加潤滑脂的損耗，在很短的時間內造成軸承的損壞甚至咬死，因此當發現軸承溫度過高時，需要及時排查，避免造成進一步的危害。

　　2.1.3繞組溫度過高

　　2.1.3.1繞組溫度過高的危害

　　作為電機電能轉換為機械能為重要的部件，電機繞組的狀態監控非常重要，通過對繞組溫度的監控，能夠反映很多問題，諸如軸承問題導致的負載過大、繞組絕緣受損、負載端異常等，都會導致電機的繞組溫度過高。過高的溫度會損害繞組的絕緣，傳導到軸承上會加速軸承油脂的損耗；因此，對繞組的溫度的監控也同樣至關重要。

　　2.1.3.2繞組溫度過高的原因

　　造成繞組溫度過高的原因一般有以下幾類：

　　負載異常：電機的使用方在選購電機之前會根據實際使用的情況選擇一臺合適的電機，在運行過程中的負載突然變化會導致電機的繞組溫度發生明顯的變化。一般負載的突然變化還會導致電機電流的突然變化。

　　散熱異常：電機在運行的過程中，會產生各種損耗，其中定/轉子損耗，鐵耗都主要體現在繞組溫度上，這就需要靠諸如機殼上的散熱筋等部件將這部分發熱耗散出去，當發現繞組溫度過高時，可檢查電機進風口或出風口是否有污物阻擋，散熱筋是否有損壞等現象。

　　繞組老化：正常運行的電機內部溫度一般較高，對于變頻器供電的電機，還存在著諧波的問題，這些問題都會導致繞組以及磁鋼等部件的老化，當老化達到一定程度時，就會造成電機性能的下降，電機從正常運行狀況變成過載運行，繞組的溫度就會顯著上升，一般這類問題導致的繞組溫度變化比較緩慢，不太容易發生溫度的突然上升。

　　繞組的溫度過高相較于電機軸承的溫度問題來說是個比較緩慢地異常現象，一般繞組的溫度過高會伴生各類其他異常，但對繞組的溫度監測相對于其他數值的監測(諸如風扇損壞會造成的振動異常)來說較為簡單，所以繞組溫度的監控是目前電機狀況檢測為普遍通用的一個方法。

　　2.1.4機殼溫度過高

　　2.1.4.1機殼溫度監測的重要性

　　對于較大的電機，一般采用預埋溫度監測設備的方法對電機的軸承或繞組進行監測，但對于體型較小的電機，預埋溫度監測設備的方法有時不容易實現，同樣的，有些電機在出廠的時候并未預埋溫度監控探頭，這時，可采用非接觸的溫度測量方法由的值班人員對電機進行巡檢來替代預埋溫度監測探頭的方法。同樣，能起到對溫度過高的預警作用。

　　2.1.5傳統電機各部位溫度限值

由上文可以看出，在電機的實際使用中，很多的故障會導致溫度異常的發生，因此，對溫度的監控在電機的實際使用中非常重要，對此，國標GB 14711對電機在安全使用中的主要部位溫度進行了規定，下表對此進行了梳理，見表1。

　　表1傳統電機主要部位溫度(℃)、溫升(K)限值

　　2.2噪聲振動異常

　　2.2.1概述

　　電動機作為一種將電能轉換為機械能的用電設備，在使用的過程中，不可避免的會產生噪聲和振動，尤其是當電機的機械結構發生異常時，造成的異常現象，就是噪聲或者振動的顯著變大。因此，對噪聲和振動的監測，能夠較早的對電機的故障進行預警，以免引起更大的危害。

　　2.2.2振動過大

　　2.2.2.1振動過大的危害

　　正常運行中的電機，不可避免的會產生振動，振動作為電機的一個重要技術指標，也是進行各類電機進行型式試驗的幾個主要項目之一，長期運行的電機，當發生有機械零部件松脫時，就會產生明顯的振動，如軸承的磨損過度會導致電機軸伸側的振動變大，振動的變大是個惡性循壞的過程，過大的振動會造成更多零部件的損壞，導致振動變得更大，造成斷軸、底腳斷裂等嚴重危害，嚴重的可能造成“機毀人亡”的嚴重事故。

　　2.2.2.2振動過大的原因

　　造成電機振動變大的原因有很多，機械結構上的受損、電氣結構上的老化以及安裝本身的原因都會導致振動變大。從監測的角度來說，分為各個部位上的振動數值異常，主要分為前端蓋振動異常、后端蓋振動異常、機座振異常三類。

　　前端蓋振動異常：對于長期運行的電機來說，軸承是易老化的機械部件，當軸承出線磨損時，電機的端蓋側就有可能產生明顯的振動變大現象，此外，電機的出軸產生問題也有可能造成端蓋側的振動異常，當電機在制造過程中的工藝問題或使用不當，在長期的運行之后，可能造成電機的出軸產生裂紋，或者出軸發生彎曲變形，導致電機受力不均，這類問題產生的振動往往比較明顯；當發生這類問題是，往往會在電機出軸側產生肉眼可見的徑向跳動。

　　后端蓋振動異常：多數電機在非出軸側安裝了用于散熱的風扇，當風扇產生破損時，就會在電機的后端蓋側發生振動的明顯變大現象，這類問題可以停機檢查風扇的完整性，如風扇狀況良好，則應當檢查電機后軸承是否有異常現象。

　　機座振動異常：機座作為電機的主體，各類振動都會傳達的電機的機座上，當發現電機整體發生較為明顯的振動變大時，應當首先確認電機的安裝是否發生了松動，確保每個安裝緊固件是否有松動或者變形現象；當電機外部安裝緊固部件以及電機本體的各個緊固部件都未發生松動時，則應當進行拆機檢查，確認電機是否有內部元件松動，確認是否有諸如轉子偏心塊的松動、轉子掃膛等情況。

　　2.2.2.3傳統電機振動限值

　　振動的產生因素有很多，在檢測監控方面，主要是對電機三個方向的位移、速度以及加速度進行監控，以此來分析電機某個部位可能產生的問題，下表對傳統電機在運行過程中的振動限值進行了梳理，見表2。

　　表2傳統電機振動限值

　　2.2.3噪聲過大

　　2.2.3.1噪聲過大的危害

　　電機產生的噪聲主要分為機械噪聲和電磁噪聲，正常運行的電機，都會有這兩類噪聲，相對于電機的振動異常，噪聲的陡增更易被人發現并察覺，也更易容易引起注意。因而噪聲異常是容易被發現的異常現象，過大的電磁噪聲意味著電機繞組線圈可能存在問題，而過大的機械噪聲則意味著可能存在機械部件的松脫甚至斷裂。因此，當發現運行中的電機傳出異響的時候，應當及時排查問題，嚴重的應當立即停機，以免噪聲更為嚴重的事故。

　　2.2.3.2噪聲過大的原因

　　電磁噪聲和機械噪聲有時并不容易區分，這時可以采用停機檢測的方法進行確診，當斷開電機電源時，電機速度緩慢下降，此時如果噪聲依然存在，則為機械噪聲，如噪聲立即消失，則一般為電磁噪聲。

　　2.2.3.2.1電磁噪聲過大的原因

　　電磁噪聲的產生，一般由于通入繞組上的電流中含有較大的諧波，從而引起繞線等部件的高頻振動所產生。一般在由變頻器供電的電機上較為明顯。當變頻器電源質量較差時，長期的運行會破壞電機的繞組絕緣，就會更為明顯的電磁噪聲；此外，鑄造的工藝產生的轉子氣隙，繞線的松動等原因，都會造成電機的電磁噪聲增大。由于電磁噪聲的一般由電機內部電氣通電部件產生，確診一般較為復雜，所以，排查時，一般先排查諸如電源質量問題等外部原因，再對電機進行拆解從而對內部問題進行排查。

　　2.2.3.2.2機械噪聲過大的原因

　　旋轉電機作為一個高速旋轉的用電設備，在使用的過程中會不可避免的產生振動，長期的運行下，部件就會產生松動甚至松脫，就會導致“異響”的產生，當發現電機有異響的時候，可仔細分析異響的發生部位，結合對振動的分析，找出產生異響得到源頭。當發現異響源于電機軸伸端時，一般是由電機前軸承或與負載的連接發生問題而產生；當發現異響源于后軸側時，一般由風扇的破損或后軸承的問題而產生；當發現電機內部有異響產生時，應當立即停機，檢查電機內部是否有掃膛或偏心塊松脫等情況發生。

　　2.2.3.3傳統電機噪聲限值

　　噪聲在實時監控預警中由于干擾因素很多，存在較大困難，一般對電機在空載狀況下的噪聲進行測試，從而分析電機可能存在的問題，本文對傳統電機的空載噪聲進行了梳理，見表3以及表4。

　　表3傳統電機噪聲限值

　　表4高壓電機噪聲限值

　　2.3電參數異常

　　2.3.1概述

　　電機作為一種用電設備，電參數是一個基礎的性能參數，從電機的用電情況中，不僅能反應出電機自身的運行狀態，還能反應出負載端的工作狀態，而且，相對于振動和噪聲來說，電參數不易受外界干擾，而相對于溫度指標來說，電參數又有反應迅速的優勢；因此，電參數是對電機運行狀況監測以及異常警示的一個為簡單可行的方法。常用的電參數監控一般采用電流監控和電壓監控。

　　2.3.2電壓偏差過大

　　2.3.2.1電壓偏差過大的危害

　　電機作為一個用電設備，供電的保證是保證其正常運行的一個主要指標，過度的欠壓會造成電機的失速，電流的過大，長期的欠壓會導致電機和輸電線路長時間工作在過載狀態下，導致電機和輸電線路的損壞；而過壓則會破壞電機以及輸電線路的絕緣，可能會在短時間內造成嚴重的事故；相較于過壓和欠壓，缺相也同樣致命，同樣會在短時間內造成嚴重的事故。因此，對電壓的實時監控與預警是保證設備正常工作的一個重要指標。

　　2.3.2.2電壓偏差過大的原因

　　電壓的幅值的可靠性一般由電源決定，匹配的電源余量不足，電機的遇到負載異常波動的時候就會產生明顯的壓降，會導致電機的失速，造成設備的停機，而匹配的余量過大，則占用場地且經濟效益不佳。

　　當電機發生欠壓時，一般有兩類原因造成，一類是電源問題，電網的波動，就會導致供電電壓的波動，造成欠壓現象，另一類問題是負載問題，過多設備的同時運行或者當前電機的短時過載運行，導致負載過重，造成欠壓的現象，多數的電機都有一個工作電壓范圍，應當盡量保證工作電壓的該范圍內。

　　當電機發生過壓時，也由電網電壓波動造成電源問題和負載問題造成，在配套多臺用電設備同時工作的電源系統中，如有多臺設備同時停止工作，可能會造成供電電壓的陡增，因此，有計劃的停機也是非常必要的。

　　當電機發生缺相時，需要立即停機，切斷供電回路進行排查，一般先對輸電回路進行排查，確認輸電回路是否可靠，再對電源進行排查，確認電源是否有異常情況，如上述兩者都正常工作，則問題一般出現在兩者的連接部件上。

　　當電機供電電壓出現明顯的三相不平衡時，一般通過對電流的分析進行排查。

　　2.3.2.3傳統電機電壓偏差的限值

　　對電壓的監控，相當于對電機用電環境的監控，穩定的運行環境，是保證電機可靠運行的首要條件，一般對電源電壓的要求，為額定電壓的±10*之內，傳統電機在設計時，也會考慮電源電壓的波動(又稱能源波動)，當電壓在額定電壓的±10*之內時，電機都能穩定的運行。超出該范圍，電機絕緣可能受損，而低于該范圍，電機電流可能過高，終導致電機發熱過大而受損。

　　2.3.3電流偏差過大

　　2.3.3.1電流偏差過大的危害

　　電壓的監測更多的是反映電源供電的情況，而電機用電的情況則由電流的監測情況來反應，電機的過載會導致電流偏大，負載的松脫會導致電流的偏小，而繞組絕緣受損或者人員的觸電則會導致電流的不平衡；反言之，過大的電流會導致電機的溫度明顯升高從而造成電機的損毀；過小的電流意味著電機負載側或者負載連接處的松脫，不及時解決可能造成更嚴重的問題；而電流的偏差則多數意味著電機的絕緣問題甚至人身意外的發生。因此，及時發現并解決電流的不正常偏差不但是電機使用可靠的一個保證，也是電機使用安全的必要條件。

　　2.3.3.2電流偏差過大的原因

　　電流的數值能夠真實地反映用電設備的使用情況，一般會有以下幾類異常電流偏差。

　　電流過大：當發現電機電流超過限定數值時，應當先行檢查電機的供電情況，是否有欠壓或者過壓的情況發生；供電電源正常時，過流的發生意味著電機的負載發生了異常變大，軸承的磨損、缺油會造成電機負載變大；而電機負載側的問題也會造成電機的負載變大導致過流現象的發生；其次，當電機的絕緣發生問題時，會導致電機的相間短路或者對地短路，這些問題也會導致過流現象的發生，絕緣問題的一般還伴有電流不平衡的現象。

　　電流過小：當電機與負載的連接發生松脫時，就會產生電流的明顯變小。此時，應當檢查電機與負載連接的完好性，確認是否有連接部件的松脫，諸如連軸器松脫，劃牙等現象。同時，也應當檢查負載的工作狀況是否良好。

　　電流偏差過大：電流偏差分為兩類，當電流的數值發生偏差時，一般會有三類原因：一是電源的問題，供電電壓的不平衡會直接導致電機電流的不平衡，對電源的檢修是解決此類問題的可行方法；二是繞組的老化，電機長期運行后，可能會有繞組老化的現象發生，造成繞組的數值發生變化，導致電流不平衡的產生，可以通過停機，檢查繞組的匝間以及繞組阻值的方法來排查這類問題；三是繞組的絕緣問題，這類問題發生時，電機的某相或者某幾相電流會明顯增大，應當立即停機檢查繞組的相間絕緣以及對地絕緣。

　　電流不平衡：不同于電機的電流數值不平衡，當電機的對地絕緣產生問題時，可能反應在三相電流數值上的變化并不明顯，三相電流數值并未明顯增大，同時三相電流的數值也并未失衡，但通過諸如的功率分析儀等儀器設備，對電機電流進行分析，會發現有零序負序電流的產生，意味著電機對地產生了明顯的放電現象。提早的發現這類問題能夠在絕緣徹底擊穿前解決這類隱患。

　　2.3.3.3傳統電機電流偏差的限值

　　幾乎電機的任何一部位的異常，都能時時地體現在時時的電流數值上，因此，本文對電機電流的偏差給出了一個限值，當電流與額定值偏差超出+15*～-30*，或者三相不平衡超出10*時，電機運行就有可能有異常發生，需要仔細檢查電機的運行情況。

　　3電機可靠性影響因素

　　3.1概述

　　電機作為一種將電能轉換為機械能的用電設備，廣泛應用于各類場合，其結構簡單，使用方便；由于其維護周期長，所以其可靠性的保證尤為重要，但使用中的各種特殊情況，會對電機各個部件的壽命產生影響，進而造成電機的壽命縮短，造成可靠性的降低。一般，影響可靠性的因素分為兩類：環境因素以及使用不當。

　　3.2可靠性降低的因素

　　3.2.1環境因素

　　電機在設計制造時，會考慮其實際應用的環境，針對不同的應用環境，會采取不同的設計，諸如隔爆電機、潛水電機等，都是針對特殊應用場合的專用電機。但實際使用中，成套設備的位置不固定，或者遭遇惡劣的氣候，造成實際使用環境超過設計值。就會造成設備的失效。因此，實際使用中，應當注意設備的標注使用環境，或者結合實際的使用環境，選擇合適的配套電氣設備，對于電機，同樣如此。如在環境污染等級比較惡劣的場合，盡量避免選用開啟式結構的電機，以防發生諸如油污、粉塵進入電機殼體內，造成絕緣失效，掃膛等現象的發生；而在戶外應用場合，應避免近地安裝，并選用IP防護等級較高的電機，以防在遭遇惡劣天氣時，電機的損毀；對于沿海環境的使用場合，使用的電機有針對鹽霧以及潮濕環境的設計，以防腐蝕現象的過快發生。

　　3.2.2使用因素

　　電機在實際選用時，一般都會考慮經濟因素。規格較小的電機價格較低，然而，實際使用時，可能遭遇各種的突發情況，電網的波動，負載的不穩，對于選型過于拘謹的電氣設備會造成過載的現象，長期的累積就會造成性能的喪失，引發失效現象，造成可靠性的降低。因此，適當的留取余量是提升可靠性的一個方法，二期，長期的運行后，各部件的老化不可避免，會造成性能的降低，此時，余量的留取就會發揮作用，所以，余量的留取還能延長成套設備的使用壽命，提升成套設備的可靠性。而使用的過程中，應當避免過載的現象發生，也應當避免過度頻繁的起停情況，以防由于上述情況而導致的電機電流超出設計值，造成繞組和輸電線路的加速老化；同時，供電設備的選擇也應當注意，選擇合適容量的電源，能保證供電的質量，減少欠壓的情況發生；變頻器供電的電氣回路中，電機繞組會收到變頻器中的諧波影響，這也是*須考慮的因素。

　　4結語

電機的可靠性研究是一個長期的過程，需要對電機的全生命周期進行研究才可能得到一個完全準確的研究方法，本文從故障機理出發，分析每一類故障可能導致的故障現象，并進行了分類，以此簡化電機可靠性的分析過程。

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