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)。無論是何種電機(jī)，其內(nèi)部按能量轉(zhuǎn)換的原理分為三個環(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)。因為這三個環(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)的故障主要通過對電壓、電流的各種測量和分析來診斷，例如絕緣材料的老化，通過測量漏地電流來判定等等。
電機(jī)類型特點與測定標(biāo)準(zhǔn)
1 電機(jī)的主要部件
定子。是輸入電功率，產(chǎn)生磁場的靜止部件。對于交流電機(jī)，通常定子磁場是旋轉(zhuǎn)的。對于直流電機(jī)，定子磁場是靜止的。
轉(zhuǎn)子。是產(chǎn)生一個與定子磁場相對運(yùn)動的磁場，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，建立相對運(yùn)動磁場的滑動接觸機(jī)構(gòu)。
軸承裝置。是支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，保持定子、轉(zhuǎn)子相對位置的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
2 電機(jī)的類型與工作原理的區(qū)別
電機(jī)的兩個磁場均由直流勵磁產(chǎn)生，則為直流電機(jī)；
電機(jī)的一個磁場由直流勵磁產(chǎn)生，另一個由交流電流產(chǎn)生。為使這兩個磁場相對靜止，直流勵磁磁場相對交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場必須嚴(yán)格同步，這就是同步電機(jī)。
電機(jī)的兩個磁場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)振動的測量與判定標(biāo)準(zhǔn)
電機(jī)振動測定是指電機(jī)在制造廠出廠試驗或試驗室內(nèi)的振動研究試驗、檢修后現(xiàn)場試驗時的電機(jī)振動水平的準(zhǔn)確測量，因此，對于電機(jī)的安裝條件、測試儀器、測點裝置、測量要求等都作了規(guī)定。
這種測定的目的：為了確定電機(jī)振動初始狀態(tài)時的振動水平，判定這臺電機(jī)出廠時或投入運(yùn)行時振動值是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；
為以后電機(jī)異常振動的診斷提供初始的參照數(shù)據(jù)。因此電機(jī)振動的測定，其目的和方法均與電機(jī)異常振動診斷有所區(qū)別。
1 電機(jī)振動有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
GBl0068—88《旋轉(zhuǎn)電機(jī)振動測定方法及限值》（國家標(biāo)準(zhǔn)）
IEC34—14(1986)《中心高為56mm及以上旋轉(zhuǎn)電機(jī)的振動——振動烈度的測量、評定及限值》（電工協(xié)會頒布）
ISO2372(1974)《轉(zhuǎn)速從10r/s機(jī)器的機(jī)械振動——評定標(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——在運(yùn)行地點對振動烈度的測量和評定》（標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布）
VDI2056《機(jī)器的機(jī)械振動評價標(biāo)準(zhǔn)》(德國標(biāo)準(zhǔn))
2 電機(jī)振動的測定方法
 測量值的表示方法
不同轉(zhuǎn)速范圍的電機(jī)，其測量值的表示方法是不同的。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對轉(zhuǎn)速為600～3600r/min的電機(jī)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時采用振動速度有效值表示，其單位mm/s。對轉(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。
對測量儀器的要求
儀器的頻率響應(yīng)范圍應(yīng)為10～1000Hz，在此頻率范圍內(nèi)的相對靈敏度以80Hz的相對靈敏度為基準(zhǔn)，其他頻率的相對靈敏度應(yīng)在基準(zhǔn)靈敏度+10％～－20％的范圍以內(nèi)，測量誤差不超過±10％。
測量轉(zhuǎn)速低于600r/min電機(jī)的振動時，應(yīng)采用低頻傳感器和低頻測振儀，測量誤差應(yīng)不超過±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)，測振時應(yīng)采用彈性安裝。
剛性安裝。對軸中心高超過400mm的電機(jī)，測時應(yīng)剛性安裝。
電機(jī)在測定時的狀態(tài)
電機(jī)的測振應(yīng)在電機(jī)空載狀態(tài)下進(jìn)行

 

圖1 小型電機(jī)測點布置

 

圖2 端蓋軸承電機(jī)的測點布置

 

3 電機(jī)振動的限值

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBl0068.2-88《旋轉(zhuǎn)電機(jī)振動測定方法及振動限值》的規(guī)定，對不同軸中心高和轉(zhuǎn)速的單臺電機(jī)，在按GBl0068.1規(guī)定的方式測定時，其振動速度有效值應(yīng)不超過表1的規(guī)定。

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

磁耦合系統(tǒng)的振動原理
1 基頻磁通的電磁振動
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：
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；
隨時間以角速度ω回轉(zhuǎn)。
基波電磁振動：
空氣隙長度和磁路不平衡時；
一次電壓不平衡時；
轉(zhuǎn)子繞組不平衡(斷條和接觸不良)時。

這一振動，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。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，它是電機(jī)中的主要振動分量之一，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，也同時作用于定子。是造成定子槽內(nèi)線包松動等故障的原因之一。
2 高頻磁通的槽振動
由于槽的磁導(dǎo)率變化等原因，產(chǎn)生高頻槽振動，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應(yīng)的固有頻率及其模態(tài)階次接近或一致時，將發(fā)生共振效應(yīng)，此時，電機(jī)的振動和噪聲將特別大。

例如，一臺四極電機(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是對這臺電機(jī)在距其一米的位置，用電容式傳聲器測試的聲音信號的頻譜。其中，fk0=1000Hz，fk1=1100Hz的頻率成分能明確地看出來，此時，前述的fk1=1100Hz是占主要的，而fk2=900Hz則看不出來。

4 直流及同步電機(jī)的電磁振動

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。
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：
這個振動電磁力F(x，t)在時間上面的公式第二項看，是用cos(μZRωrt)表示的余弦波，因此，作為振動頻率體現(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fz和其高次諧波。
當(dāng)槽數(shù)ZR=75，極對數(shù)2P=6時，
N=300 rpm時，fz=375 Hz；
N=1200 rpm時，fz=1500 Hz
對于同步電機(jī)的電磁噪聲和振動頻率，它有一個大的特點，就是與電網(wǎng)頻率成整數(shù)倍的關(guān)系。在同步電機(jī)中，有二類徑向力波引起的振動必須注意：
其一是二倍電網(wǎng)頻率的振動；
其二是定、轉(zhuǎn)子諧波磁場相互作用，而產(chǎn)生的徑向力波引起的振動。
對于直流電機(jī)的故障特征可以歸納為以下幾條：
如果轉(zhuǎn)頻fr 的振動很明顯，則有不平衡、軸彎曲等機(jī)械異常。
如果2xfr 振動明顯，則有不對中等安裝方面的異常。
槽頻率fz以及邊頻帶fz±fr 的振動明顯，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)計不合理。
高頻fc成分明顯時，線圈絕緣磨損或楔松動。
電機(jī)的故障特征
1 定子異常產(chǎn)生的電磁振動
電機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)，由于定、轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，定子機(jī)座將受到一個旋轉(zhuǎn)力波的作用，而發(fā)生周期性的變形并產(chǎn)生振動。
由于定子三相繞組產(chǎn)生的是一個旋轉(zhuǎn)磁場，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，而是一個旋轉(zhuǎn)力，隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，機(jī)座上受力部位是隨磁場的旋轉(zhuǎn)而在不斷改變位置。從（圖8c-e）中可以看出，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場回轉(zhuǎn)一周，磁拉力和電磁振動卻變化兩次。

 

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)磁場波形  d) 磁拉力變化波形  e) 電磁振動的波形
電機(jī)磁場是以同步速度n0在旋轉(zhuǎn)，則其磁場交變頻率與電網(wǎng)頻率相同，為f0。而其電磁力的頻率和機(jī)座振動頻率由圖8b中可以看出，由于旋轉(zhuǎn)磁場的磁極產(chǎn)生的電磁拉力是每轉(zhuǎn)動一圈，電磁力交變P次。
因電磁振動在空間位置上和旋轉(zhuǎn)磁場是同步的，定子電磁振動頻率應(yīng)為旋轉(zhuǎn)磁場頻率(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，機(jī)座上受到一個頻率為電網(wǎng)頻率2倍的旋轉(zhuǎn)力波的作用，而可能產(chǎn)生振動，振動大小則和旋轉(zhuǎn)力波大小和機(jī)座剛度直接有關(guān)。
2 定子電磁振動異常的主要原因：
定子三相磁場不對稱。如電網(wǎng)三相電壓不平衡，因接觸不良造成單相運(yùn)行，定子繞組三相不對稱等原因，都會導(dǎo)致定子磁場的不對稱，而產(chǎn)生異常振動。
定子鐵心和定子線圈松動，將使定子電磁振動和電磁噪聲加大，在這種情況下，振動頻譜圖中，電磁振動除了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，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，因而使定子振動增大，結(jié)果產(chǎn)生異常振動。
3 定子電磁振動的特征：
振動頻率為電源頻率的2倍；
切斷電源，電磁振動立即消失；
振動可以在定子機(jī)座和軸承上測得；
振動幅值與機(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
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)生的動態(tài)不均勻。
它們都會引起電磁振動，但是振動的特征并不*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，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，由于通過氣隙zui小點A的旋轉(zhuǎn)磁場頻率為f0/P，這時不平衡磁拉力將變化2P次，因不平衡磁拉力和電磁振動頻率為

圖9 靜態(tài)、動態(tài)偏心的電磁振動

a) 靜態(tài)偏心 ；b) 動態(tài)偏心；c) 動態(tài)偏心電磁力的拍振
靜態(tài)氣隙偏心產(chǎn)生的電磁振動特征是：
電磁振動頻率是電源頻率f0的2倍，即f=2f0；
振動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)生的電磁振動與定子異常產(chǎn)生的電磁振動較難區(qū)別。
2 氣隙動態(tài)偏心電磁振動
電機(jī)氣隙的動態(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，偏心的位置對定子是不固定的，對轉(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，如圖9b)所示。
氣隙動態(tài)偏心產(chǎn)生電磁振動的特征是：
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率和旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速頻率的電磁振動都可能出現(xiàn)。
電磁振動以1/(2sf0)周期在脈動，因此，在電機(jī)負(fù)載增加，s加大時，其脈動節(jié)拍加快。
電機(jī)往往發(fā)生與脈動節(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
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)時是隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動的，其性質(zhì)和轉(zhuǎn)子動態(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
a) 發(fā)生振動的機(jī)理；b) 電磁振動波形
轉(zhuǎn)子繞組異常引起的電磁振動的特征：
轉(zhuǎn)子繞組異常引起電磁振動與轉(zhuǎn)子動態(tài)偏心所產(chǎn)生的電磁振動的電磁力和振動波形相似，現(xiàn)象相似，較難判別。雖然拍頻都是2sf0，但電磁振動的高頻部分不同，轉(zhuǎn)子動態(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，這種振動隨之增加，當(dāng)負(fù)載超過50％以上時較為顯著。
若對電機(jī)定子電流波形或振動波形作頻譜分析，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。