三相异步电动机电机启动常见故障
李国强+李光升
摘 要：装甲车辆起动电动机在工作过程中，针对直流电动机部分，发生的故障按类型可分为电气和机械类。故障的发生是由多种原因造成的，既与直流电机自身结构特点和功能特性有关，又受直流电机实际工作环境和工作条件的影响，要完全理解故障发生原因，就需要研究直流电机的工作特性，分析各种常见的故障类型及故障发生机理，同时也为后续的故障特征提取提供了理论依据。本文以某型装甲车辆起动电动机为例，分析其运行特性和数学模型的基础上，列举常见故障类型及现象，从电枢电流和振动信号的角度对常见故障作机理分析。
关键词：起动电动机；常见故障；机理分析
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.008
1 装甲车辆起动电动机的数学模型
对于装甲车辆这种大型重载车辆，往往在起动过程中要求的转矩特别大，因此装甲车辆起动电动机的励磁方式一般采用串励方式。本文研究的起动电动机中的直流电动机就是串励方式。
当装甲车辆直流电动机带动发动机转动时，近似的写出它运行时的动态线性方程为：
在上述方程中，为转动惯量，为负载转矩，为粘滞摩擦转矩，为干摩擦转矩，为电机角速度，为电机常数，为电枢电感，为电枢等效电阻，为电枢电流，为电源电压。
电动机空载时电枢电流的瞬态响应值为：
2 装甲车辆起动电动机常见故障与机理分析
对于装甲车辆起动电动机来说，具有与一般直流电动机相似的结构特性，经查阅大量文献资料，对直流电动机发生的常见故障类型与原因作了分析。并结合起动电流和振动信号对电动机的常见故障作了机理分析，总结如下。
2.1 定子绕组故障
（1）故障特征及原因。定子励磁绕组较易发生的故障一般有绕组匝间短路故障、相间短路故障和绕组接地故障等。
当励磁绕组匝间短路时，电机的振动加剧，会产生绕组发热、冒烟和绝缘層烧焦的现象，发生该故障主要是由绝缘层表面堆积灰尘或油污、S弯处因制造或重修偏差使匝间短路、拆机修理时产生机械损伤等原因造成。当励磁绕组接地时，电机将处于严重故障状态，发生该故障主要因为电动机绝缘层破损，导致线圈与铁芯和机座直接导通，此时绕组中的大电流会对乘员生命带来巨大威胁。故障原因主要是在制造时，绝缘层的包裹程度有缺陷，加上长期使用和保养不及时就会导致绝缘破损而接地。
（2）故障机理分析。定子绕组匝间短路属于电动机绕组故障中发生比较早的故障现象，其他绕组故障均有它逐步加深导致。这里主要对定子绕组匝间短路进行故障机理分析。
定子绕组匝间短路发生时，其定子电流的故障特征频率是一个重要参数，可以采用多回路理论[2]分析得到，该理论的原理是对电动机磁场进行分析的，即根据定转子绕组之间的互感系数，求得定转子之间的磁链和感应电流，短路时绕组电感的变化会使感应电流也发生变化，具体方法是对采集的定子电流即电枢电流作FFT得到电流的频谱，故障状态相比正常工作状态，其电流幅值会在特征频率处明显增大，从而判别出定子绕组匝间是否发生了短路故障。
此外，电动机运行过程中，定子磁场和转子之间相互作用，会有旋转力产生，这种力会引起定子绕组的周期性变化并产生振动。当定子绕组短路时，定子结构的电磁噪声和振动会加剧，相比正常状态时电机振动信号会有谐波幅度的变化[3]。
2.2 换向故障
（1）故障特征及原因。电刷作为直流电动机的主要结构，实现对电流的引导和换向，电机工作时，电刷接触在换向器表面滑动，滑动越平稳换向效果就越好，换向不良会出现刷火异常，这种现象一般呈明亮、暴鸣状、火球状或飞溅状等，刷火异常往往会使换向器表面出现烧痕而变黑。火花的产生通常由电磁原因、机械原因、环境原因和负载原因等因素造成[4]。
（2）故障机理分析。在电动机换向过程中，实际流过的电枢电流并不是保持恒定的，而是会产生上下的起伏。随着电动机工作年限的增加，电动机的电刷会被磨损，这样就导致了电刷和换向器之间的缝隙不断增大，从电动机数学模型上分析是因为干摩擦转矩变小了。从公式（2-1）中看，在不改变其他条件时，电刷与换向器之间缝隙增大，即意味着电刷的接触电阻增大，因此电枢电流将会变小。
2.3 电枢故障
（1）故障特征及原因。起动电动机的电枢绕组为单波绕组，其结构特点是同极性的绕组按一定规律串联起来构成单条支路，再经电刷使电枢绕组和直流电源的正负两端接通从而形成电动机回路。电枢绕组常有断裂开焊和短路故障发生，开焊的原因主要是负载过大、电流过大、机体材料缺陷等。短路故障按照位置不同可分成换向器片端短路、驱动端短路及匝间短路，其中换向片间短路更常见，其原因是换向器云母沟内有导电杂质或粉尘。电枢绕组匝间短路一般由电枢绕组绝缘层破损、绕组受酸类物质侵蚀、重修安装时损伤绝缘层的机械结构等因素造成。
（2）故障机理分析。电枢发生的常见故障是电枢绕组元件开焊。开焊的元件在电机运行过程中会发生两种情况。第一种情况是它和正常的绕组构成电枢回路，第二种是完全脱离开来不构成任何回路。第一种情况下，电路中参数不会发生改变，由电机模型公式（1-2）推导出电路变为无故障状态，电枢电阻和电枢电流的数值均表现为正常状态。第二种情况下，由于电枢元件的开焊，导致并联电阻的减少，即等效的电枢电阻会增大，根据电机模型公式（1-2）推导，此时电枢电流会减小。这种变化会随着电机的旋转周期性出现，电枢电流在时域内呈现的变化具有周期性波动的效果，并且电机振动和噪声也会加剧。
2.4 转子偏心故障
（1）故障特征及原因。电动机在机械换向时，对定子和转子的同心度要求比较高，不能存在明显的转子偏心问题，但因为制造时产生的公差、运行过程中会产生磨损以及安装不合理等因素，导致定转子产生偏心。电动机的气隙偏心分静态偏心和动态偏心两类，分别如图1（a）、（b）所示。endprint
（2）故障机理分析。当偏心故障发生时会带来定转子之间气隙的变化，由于气隙是属于电机主磁路的一部分，因此偏心也会带来磁场的改变，导致电磁不平衡而产生力矩，受力矩的影响，偏心故障程度会不断加深[5]。偏心故障的发生会破坏磁路结构的对称性，此时电枢电流中会产生谐波频率。当偏心较严重时，因电刷与换向器之间的接触性变差会出现火花。对直流电动机来说，可以检测和分析定子电流中的谐波频率成分来判断转子是否发生偏心故障。
直流电动机与异步电动机的结构存在差异，但是齿槽效应和偏心现象是相似的，根据直流电动机特点，将参数代入式（2-2），能够求得槽谐波和周围的偏心故障特征谐波成分的频率。
此外，静态偏心和动态偏心具有不同的振动特性，其故障特征频率也是不同的。动态偏心故障的振动特征频率可能与转子旋转频率相等。
2.5 轴承故障
故障特征及原因：
滚动轴承的结构包括内圈、外圈、滚动体和保持架四部分。轴承作为起动电动机传输动力过程中的关键部件，受摩擦和激振力的影响极易发生故障，并且受不同因素影响会产生不同程度的损伤类型，下面将故障类型及原因总结如表1所示。
（2）故障机理分析。轴承作为起动电动机定转子之间的支撑部件，在起动过程中会受到轴向和径向力，这种力的作用就是轴承发生形变的原因。当直流电动机轴承上的某一部位发生微小故障时，随着电动机的高速运转，发生故障的部位与轴承正常部位会发生周期性接触，这种接触会增加故障部位的进一步损坏。并伴随着电动机定转子气隙间隙和磁导发生变化，这些变化的谐波最终会反映在电枢电流中。因此通过检测电枢电流中特定的谐波频率就能对轴承故障进行诊断[6]。
另外，轴承运行过程中，其滚动体在具有凹凸特点的接触面上滚动会产生交变的激振力。正常状态下时，因为接触面的凹凸性和深浅是不规则的，因此这种激振力也是无规律的，测量得到的振动信号含有多种频率成分。当轴承发生内圈、外圈、滚动体和保持架故障时，受损点在接触面上会产生一个冲击力，随着轴承的转动，这个冲击力呈现出周期性变化[7]，故障不同，冲击力出现的频率也不同，称该频率为故障状态的特征频率。所以只需检测振动信号的频率，就能判断轴承的故障类型。
3 结论
本文首先分析了装甲车辆某型起动电动机的励磁方式和数学模型，总结了起动电动机常见故障（定子绕组故障、换向故障、电枢故障、转子偏心故障和轴承故障）发生时产生的现象和故障原因，并结合起动电动机电枢电流和振动信号分别对常见故障作了机理分析，为进一步理解起动电动机的特性提供了参考。
参考文献：
[1]惜暮春.電机拖动[DB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/c4bfa5f60c22590102029df1.html.2013，12（17）.
[2]高景德，李发海.交流电机及其系统的分析[M].北京：清华大学出版社，1993.
[3]芦斌.基于模糊神经网络的电动机故障诊断技术研究[D].中北大学：硕士学位论文，2013.
[4]赵家礼等.电机故障诊断修理手册[M].北京：机械工业出版社，2000.
[5]左志文.基于HHT和RBF神经网络的异步电动机故障诊断的研究[D].太原理工大学：硕士学位论文，2015.
[6]赵敏，刘振兴，尹项根，张哲.直流电动机偏心和换向器故障的监测与诊断方法分析[J].武汉科技大学学报（自然科学版），2004（02）：171-173.
[7]叶高翔.循环平稳理论在滚动轴承故障检测中的应用[D].浙江大学：硕士学位论文，2007.
作者简介：李国强（1993-），男，甘肃武威人，硕士研究生，研究方向：检测技术及其自动化装置。endprint
