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定子故障

定子故障是最常见故障之一。本文主要分析定子铁芯、定子绕组匝间短路和绕组绝缘三类故障的形成原因。

1.1 铁芯故障

感应电机定子铁芯是用硅钢片夹紧铁芯固定在定子支架上，正因为这个结构，如果损伤了定子铁芯，就会形成定子片间短路。定子出现高温、大环路电流、绝缘材料高温分解现象。流过铁芯短路位置的电流不断增大。大到一定程度，定子铁芯硅钢片就会被熔化，导致定子槽中绝缘绕组被烧化，此时必须更换线圈。此种故障产生原因多为制造缺陷，电机剧烈振动导致的电机定子铁芯片间绝缘损坏也是故障诱因之一。

（1）铁芯多点接地故障。当铁芯多点接地发生故障后，会伴随很多奇特的现象，如：绕组过热、绝缘损耗和老化、接地线路被烧断、铁损增大、铁芯过热。（2）铁芯过热故障。铁芯过热故障的原因通常包括：不正常接地、绝缘损坏、定子绕组匝间短路、过载运行等。铁芯过热多发生在夹件与铁芯上。

1.2 绕组绝缘故障

感应电机的故障往往是由于绕组绝缘空洞或混有杂质等缺陷造成的。绝缘缺陷主要是生产过程中造成的，因此电机的运行状况与使用寿命与生产工艺息息相关。绝缘缺陷和绝缘老化导致的绝缘故障都表现为电机内活动性放电量增加，通过一些检测实验可以获得绝缘老化的一些数据参数，通过分析能够判断绝缘老化的程度和原因。

1.3 定子绕组匝间短路故障

定子绕组匝间短路也是感应电机常见故障之一，故障原因主要有生产工艺不合格和不正常的运行两个方面引起。

1.3.1 定子故障的发展过程

感应电机定子故障的最初阶段，电机仍可正常运行，功率、电压及震动也都在正常范围之内，但此时电机定子磁场已发生改变，定子电流中可以检测到故障特征。这里我们采用了定子电流法诊断感应电机定子故障，随着故障的恶化，电机正常运行受到影响，震动加剧，输出转矩波动，电机工况异常，故障即将爆发。再进一步发展，更多的绝缘被损坏使得短路故障加剧，剧烈震动，定子温升剧增使得电机无法正常运行。

1.3.2 定子故障后果

（1）定子匝间短路引起电机机身和机座振动。感应电机一旦发生故障，电机机身和各零部件都会出现振动，振幅超过临界值会造成定转子的摩擦，严重时会损毁电机，甚至危害人身安全。感应电机发生匝间短路故障时，电机机身发热造成的不对称以及点磁拉力不平衡都会引起电机振动。

（2）短路故障引起各电气量变化。定子绕组匝间短路致使绝缘损坏，相当于定子绕组中有效匝数减少，电磁场发生变化进而导致电机运行电气量（转速、转矩、电压、电流，磁链等）的改变，定子电流中表现为偶次谐波分量的出现以及奇次谐波含量的变化，该变化会随着故障程度的加深而不断演化。感应电机的气隙磁场受励磁电压的影响，与负载是否对称无关。定子状态健康的电机，当电源三相对称时，气隙磁场完全对称，定子绕组不出现偶次谐波分量。匝间短路后，气隙磁场不再对称，会导致偶次谐波成分（如2次谐波）的出现。

定子绕组与电源接通，定子绕组中流过的对称的三相电流，基波旋转磁动势也相应地会在气隙中建立起来，其同步转速由电网频率和电机绕组极对数共同决定，即：

鼠笼式感应电机中，转子导体切割定子旋转磁场在转子绕组中感应出电动势再感生出相应的电流。转子转速 与定子同步转速不等，转差率s= -/，当感应电机负载发生变化时，电机的转速和输出转矩随负载变化而波动。感应电机匝间短路后定子绕组部分会出现局部过热，电流不再三相对称，转矩变小，噪声和振动加剧。

（3）定子绕组匝间短路故障的机理分析。感应电机定子绕组三相存在120°的相位差，并且在时间和空间上对称分布，该结构的作用是既可以使由三相对称电流产生的气隙磁场达到基本正弦的要求，又可以使各个线圈磁势中的低次谐波与间谐波（分数次）相互抵消。处于正常状态的感应电机，定子电流中的主要频率分量是基波分量。但是考虑到制造工艺不合格、材料不达标、安装不正规等原因，实际的感应电机三相绕组不可能完全对称，这会导致定子电流中2 次或3 次谐波成分的出现。电机定子绕组发生短路故障时，三相绕组不对称性加剧，表现在气隙磁场中为较强的空间谐波，在定子电流中则是较强的时间谐波成分，三相绕组不对称性的加剧使得定子电流中奇次和偶次谐波增强。定子绕组匝间短路故障会改变原有谐波成分的能量，并且其它频率的谐波成分也会增多。定子绕组发生匝间短路故障后在绕组电感中也表现出变化，根据磁链与电流的相互关系可以给出定、转子中的感应电流的变化。

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转子故障

转子温度过高，离心负荷过大，及转子制造过程中的缺陷（间隙和气泡以及不合格的铸件浇铸和金属焊接技术）都会导致转子故障。离心负荷过大在电机启动过程中最为常见，生产制造缺陷则会导致导体电阻过高，从而引起过热。高温使得鼠笼结构的强度降低，进而可能出现鼠笼条裂纹。笼条超出转子槽范围便失去转子铁芯的支撑，长时间的高温运行也会引起端环和笼条变形，并最终导致端环与鼠笼条断裂。电机转速改变时，笼与端环间必然有力的作用；电机负荷无规律的变动导致的转速波动以及电机频繁的启制动过程造成的磁场变化都会增加笼条和端环故障的发生几率。转子故障征兆一般表现为转速变化，电机振动，定子电流三相不平衡，负序成分的产生及断电残压。电机在高速运行过程中会导致转子本体故障。转子本体故障一般表现为：轴弯曲、不平衡、轴裂纹、不对中以及偏心等。转子不平衡时，转子质量偏心，会产生同转频的周期性激振力导致电机振动增大。电机转子在加工过程中留下的伤痕在运行中，会出现裂纹，严重时会导致转子断裂的灾难性故障。偏心分为静态偏心和动态偏心以及混合性偏心，转子发生偏心故障时会产生不平衡磁拉力，从而引起振动。转子温度分布不均使得转子发生热弯曲时，振动加剧，会导致定转子之间发生碰摩，最终损坏电机。

2.1 转子断条故障分析

转子断条故障发生后，定、转子三相电流都不对称，电机转矩失衡，其脉动成分也增加。断裂的导条阻抗无穷大，导条的电流为零，电机转矩总量会减小并且不对称的转子电流气隙的磁场发生变化，形成反向旋转的磁场，因而电磁转矩也为反向，正负转矩相互抵消，电机的有效转矩就相应的减少。这种故障会引起电流和电磁转矩的振荡，在转动惯量较大时（恒定速度），该故障现象更引人注目。当转动惯性较小时，振荡发生在机械转速和定子电流幅值上。断条发生后，通入三相电流以后，启动时间明显延长。随着断条根数的增加，转矩也在变小，脉动成分增加，波动性变大。转子故障后如果电机继续运行，与断条相邻的笼条和与断条空间位置对称的导条电流会突增，导条温度也会急剧升高，断条相邻和相对笼条受到更大的应力，更易断裂。发生断条后，很多电气量都或多或少发生相应的变化。电机起动时间变长，有效力矩减小，转差变大，电机振动和噪声增强，定子电流波动，电机局部升温。

2.2 端环断裂故障分析

环形截面断裂故障发生频率可以与断条故障相比较。这些断裂是由于浇铸时的气泡或由于导条与环之间张力的不同造成，尤其是在短路环比转子导条产生更大的电流。环的生产尺寸不合格，再加上恶劣的运行环境以及过负荷运行，都会造成断裂。一般情况下，一根断条故障不会造成机器关闭，因为穿过断条的电流分布在相邻的导条。然而断裂的导条过载或者是断条进一步增加就会导致停机。