电机振动的原因及处理方法(振动电机常见故障)

电机的故障诊断技术与电机的工作原理、运行方式和具体结构密切相关。无论哪种电机，其内部根据能量转换原理分为三个环节(或系统):电气环节、磁耦合环节和机械环节。由于这三个环节的能量形式不同，应用的故障诊断技术也相应不同。电气环节的故障主要是通过对电压和电流的各种测量和分析来诊断的，比如绝缘材料的老化，通过测量泄漏电流来判断等等。

一个

电机的类型、特性和测量标准

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电机的主要部件

定子。它是一个输入电能并产生磁场的静态部件。对于交流电机，定子磁场通常是旋转的。对于DC电机，定子磁场是静态的。

转子。它是产生相对于定子磁场运动的磁场并输出机械动力的重要部件。接收到的电磁力被转换成输出力矩，因此经常受到较大的机械应力。

集电环和换向器。它是一种滑动接触机制，使旋转部件导电并建立相对运动磁场。

轴承装置。它是一种支持转子转动并保持定子和转子相对位置的机械结构。

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电机的类型与工作原理的区别

电机的两个磁场都是DC励磁产生的，所以是DC电机；

电机的一个磁场由DC励磁产生，另一个由交流电流产生。为了使这两个磁场相对静止，DC励磁磁场必须与交流产生的旋转磁场严格同步，也就是同步电机。

电机的两个磁场分别由不同频率的交流电产生，所以是异步电机。

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电机振动的测量和判断标准

电机振动测量是指在电机的出厂试验或实验室振动研究试验过程中，以及大修后的现场试验中，对电机振动水平的准确测量。因此规定了电机的安装条件、测试仪器、测点装置和测量要求。

该测量的目的是：

为了确定电机在振动初始状态下的振动水平，确定电机出厂时或投入运行时的振动值是否符合相关标准的要求；为今后电机异常振动的诊断提供了初步的参考数据。因此，电机振动测量的目的和方法不同于电机异常振动的诊断。

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电机振动有关标准

GB/T 10068-2020 《轴中心高为56mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值》(国家标准)iec 34-14 《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》(国际电工协会发布)ISO2372 《转速从10r/s机器的机械振动——评定标准的基础》(国际标准化组织发布)ISO3945 《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》(国际标准化组织发布)VDI 2056

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电机振动的测定方法

测量值的表示方法

不同速度范围的电机的测量值以不同的方式表示。根据国家标准，转速为600 ~ 3600 r/min的电动机，应以稳态运行时振动速度的有效值表示，单位为mm/s。转速低于600转/分的电机，采用位移幅值(峰-峰值)，单位为毫米

对测量仪器的要求

仪器的频率响应范围应为10 ~ 10~1000Hz。该频率范围内的相对灵敏度基于80Hz的相对灵敏度。其他频率的相对灵敏度应在参考灵敏度的10% ~-20%范围内，测量误差不超过10%。转速低于600r/min的电机振动测量应采用低频传感器和低频测振仪，测量误差不应超过10%。

电机的安装要求

弹性安装。在振动测量期间，轴高为400毫米或以下的电机应弹性安装。刚性安装。轴心高度超过400mm的电机，测量时应严格安装。

测量期间电机的状态。

电机的振动测量应在电机空载状态下进行。

图1小型电机测点布局

图2端盖轴承电机测点布局

图3底座轴承电机测点布局

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电机振动的限值

根据国家标准GBl0068.2-88

在电机的气隙中，磁通密度随时间沿转子圆周呈正弦波分布，可用下式表示：

由于磁通密度的力与磁通密度b的平方成正比：

根据上述公式，基本电磁力具有以下特征：

频率是电源的两倍，即2f=100Hz；按正弦波定律分布在圆周上；以角速度随时间旋转。

基本电磁振动：

气隙长度和磁路不平衡时；当初级电压不平衡时；转子绕组不平衡时(断条和接触不良)。

图4基本电磁力的分布

这种振动在转子受椭圆电磁力的两极电机中尤为明显。图4示出了基本电磁力f的圆周分布

倍频振动是电机，尤其是大型电机的主要振动成分之一。由于定子的固有频率较低，对该频率的振动分析和研究就显得尤为重要。

基本电磁力不仅作用在转子上，也作用在定子上。是定子槽线包松动的原因之一。

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基频磁通的电磁振动

由于槽磁导率的变化，会发生高频槽振动。在其引起的槽齿谐波中，要特别注意的频率分量是fk:

根据k的值，电磁力的模式是图5所示的形状。

图5电磁力的模式

这个电磁力是径向力波(也叫旋转波)，是单位面积的力。当这些力波的频率和阶次与定子的固有频率和模态阶次接近或一致时，就会发生共振效应。这个时候电机的震动和噪音会特别大。

比如一台四极电机，P=2，转子槽数ZR=40，定子槽数ZS=48，先计算其模态阶数K:

图6交流感应电机声谱图(P=2，ZR=40，ZS=48)

图6示出了由电容式麦克风在距离该马达一米处测试的声音信号的频谱。其中，fk0=1000Hz和fk1=1100Hz的频率成分可以清晰的看到。此时，前面提到的fk1=1100Hz占优势，但看不到fk2=900Hz。

四

和DC同步电机的电磁振动。

径向电磁力F(x，t)——作用在DC电机的主磁极和转子绕组之间。这是振动的原因，可以用下面的公式表示：

图7电磁力F(x，t)在圆周上的分布3354个振动模式

图7电磁力F(x，t)在圆周上的分布3354个振型。这个力F(x，t)在圆周上分布为空间上的余弦波cos(ZRx)。圆周上余弦波的数量根据的值分布，如图7所示。并保持这种分布形状，以槽角速度(ZRr)旋转，形成激振力引起定子振动。

根据定子的值，产生拉伸模态、弯曲模态、椭圆模态和三角形模态进行变形。

DC电机主激振力和槽频fz:

振动电磁力F(x，t)是一个余弦波，用上面公式的第二项cos(ZRrt)表示时间。因此，反映为振动频率的分量是下式的槽频率fz。

DC电机的主要激振力就是这个fz及其高次谐波。

当凹槽数量ZR=75并且极对数2P=6时，

在N=300转/分时，fz=375赫兹；在N=1200转/分时，fz=1500赫兹

至于同步电机的电磁噪声和振动频率，它有一个很大的特点，就是它是电网频率的整数倍。在同步电机中，径向力波引起的振动有两种，必须引起注意：

一个是两倍电网频率的振动；二是定子和转子间谐波磁场相互作用产生的径向力波引起的振动。

DC电机的故障特征可总结如下：

如果变频fr振动明显，则存在不平衡、轴弯曲等机械异常。如果2xfr振动明显，则存在异常

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当电机运行时，转子在定子腔内旋转。由于定子和转子磁场之间的相互作用，定子基座将受到旋转力波的作用，该力波将周期性地变形和振动。

因为定子三相绕组产生旋转磁场，所以它在定子和转子之间的气隙中以同步速度n0旋转。如果电网频率为f0，则同步转速N0=60f0/p .因此，作用在机座上的磁拉力不是静态的，而是一个旋转力，它随着转子的旋转而旋转，机座受力部分随着磁场的旋转而不断改变位置。从(图8c-e)可以看出，旋转磁场转一圈，磁张力和电磁振动变化两次。

图8电磁振动的机理

a)2极电机的定子、转子和磁通量b)定子上的电磁力和旋转力波。

c)旋转磁场的波形d)磁张力变化的波形e)电磁振动的波形。

电机磁场以同步转速n0旋转，其磁场交变频率与电网频率相同，为f0。电磁力的频率和基座的振动频率可以从图8b中看出。旋转磁场的磁极产生的电磁拉力是电磁力每旋转一周交替p次。

由于电磁振动与空间旋转磁场同步，定子电磁振动频率应为2f0，即旋转磁场频率(f0/P)与电磁极数(2P)的乘积，是电源频率的两倍。可以看出，电机正常工作时，底座受到频率为电网两倍的旋转力波，可能会引起振动，而振动与旋转力波和底座的刚度有直接关系。

高频磁通的槽振动

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定子三相磁场不对称。如电网三相电压不平衡、接触不良导致单相运行、定子绕组三相不对称等。都会导致定子磁场不对称，产生异常振动。

定子铁芯和定子线圈的松动会增加定子的电磁振动和噪声。在这种情况下，在振动频谱图中，除了2f0的基本分量外，电磁振动中还可以出现4f0、6f0和8 f0的谐波分量。

电机的底座螺丝松动相当于底座刚度降低，使电机在接近2f0的频率范围内共振，从而加大定子的振动，产生异常振动。

定子异常产生的电磁振动

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振动频率是电源频率的两倍；切断电源，电磁振动立即消失；振动可在定子机座和轴承上测量；振动幅度与底座的刚度和电机的负载有关。

六

不均匀气隙引起的电磁振动

气隙不均匀(或偏心气隙)有两种情况：

一种是定子和转子偏心造成的静态不均匀；另一种是由轴的弯曲或转子与轴之间的偏心引起的动态不均匀性。都是引起电磁振动的，只是振动的特点不完全一样，下面介绍。

定子电磁振动异常的主要原因：

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当电机的中心与转子的轴线不重合时，定子与转子之间的气隙会产生偏心，这种偏心往往固定在某一位置，不随转子的转动而改变位置。从图9a可以看出，由于通过气隙极小点A的旋转磁场的频率为f0/P，此时不平衡磁拉力会改变2P时间，因为不平衡磁拉力和电磁振动频率为

图9静态和动态偏心电磁振动

a)静态偏心率；b)动态偏心率；c)动态偏心电磁力的拍振

静态气隙偏心引起的电磁振动的特征是：

电磁振动频率是工频f0的两倍，即f=2f0随着振动偏心的增大，振动偏心与电机负载的关系也是如此。气隙偏心引起的电磁振动很难区分

笼型异步电动机因笼条断裂会产生不平衡电磁力，绕线式异步电动机因转子回路电气不平衡会产生不平衡电磁力。这种不平衡电磁力F在转子旋转时会随转子一起旋转，其性质与转子动偏心相同。其机制如图10所示。

图10转子绕组不平衡引起的电磁振动

a)振动的机理；b)电磁振动波形

转子绕组异常引起的电磁振动特征：

转子绕组异常引起的电磁振动与电磁力和振动波形中转子动态偏心引起的电磁振动相似，现象相似，难以区分。虽然拍频是2sf0，但是电磁振动的高频部分是不一样的。转子动偏心高频为2f0/P，转子绕组异常高频为2 (1-s) F0/p，电机负荷增大，振动增大，尤其是负荷超过50%时。如果分析电机的定子电流波形或振动波形的频谱，在频谱图中基频的两侧都出现了2sf0的边频。根据边频与基频幅值的关系，可以判断故障的程度。

图11正常电流频谱图

图12棒断裂时的电流频谱(满载)