船舶感应电机轴承故障诊断方法的几点研究

封云亭

摘要：对于船舶电机轴承故障诊断的方法选择上，首先，通过对目前感应电机的故障诊断方法进行比较及回顾，分析哪种方法更适合于船舶感应电机轴承故障的诊断。船舶感应电机常见故障分为：轴承故障、定子故障、转子故障、气隙偏心故障等等；感应电机的故障诊断早在70年代开始就已经有研究文章面世，在其后的40多年里，有关感应电机的故障诊断技术及方法层出不穷，下面就对这些方法进行简要的探讨。 
关键词：船舶  电机  轴承  故障  诊断 方法 
        0 引言 
        感应电动机因其可靠性高、结构简单、成本低，故而在船舶上得到了广泛的应用。据统计,电机常见故障中轴承故障的发生几率高达41%，一旦电机发生故障，就可能导致动力系统和电力系统的服务中止，从而威胁船舶航行的安全。其中轴承故障是电机故障中发生概率最高的，因此本文针对船舶感应电动机轴承故障的诊断方法展开研究。 
        1 温度诊断方法 
        通过安装在绕组里，或嵌入在绝缘层里的传感器，来测量温度的变化来实现对电机的故障诊断。如果电机的通风状况良好，同时考虑环境温度对电机的影响，温度的测量可以采用基于热模式或者定子电阻的模式。基于空间静电荷的建立现象，利用热梯度(ThermalstePMethod，TsM)来监视定子绕组绝缘的老化现象，同时测量反映能量级别的热激励泄放电流(Thermally  stimulated  Discharg  currents  TSDO)，通过将TSM和TSDC结合在一起，可以预报定子绕组的绝缘寿命。对于低压感应电机，通过采用非破坏性的诊断设备如塑料光纤(PlasticOPticalFiber，PoF)来评测绝缘层的老化，该方法是通过对两个不同的红外波长上的反射吸光率变化来进行评测的。 
        2 振动诊断方法 
        电机定子的振动是定子绕组匝间短路、单向运行、欠压运行等的函数，在电磁力矩和定子之间的谐振是引起电机噪声的主要原因。 
        2.1 定子异常产生的电磁振动 电机运行时，转子在定子内腔旋转，由于定、转子磁场的相互作用，定子机座将受到一个旋转力波的作用，而发生周期性的变形并产生振动。定子电磁振动的特征振动频率为电源频率的2倍。 
        2.2 气隙偏心引起的电磁振动 气隙偏心有两种情况，一种静态偏心，另一种是动态偏心。静态偏心是由于电动机定子中心与转子轴心不重合造成的。而气隙偏心是由转轴挠曲或转子铁心不圆造成的。这两种偏心都能引起电磁振动，但是振动的特征并不完全相同。静态气隙偏心的电磁振动频率是电源频率的2倍，而动态气隙偏心的振动频率在转子转速频率和旋转磁场同步转速频率都可能出现。 
        2.3 转子导体异常引起的电磁振动 鼠笼型感应电机因笼条断裂，将产生不平衡的电磁力，其性质和转子动态偏心的情况相同，它引起的电磁振动也和转子动态偏心相似，较难辨识。 
        2.4 转子不平衡产生的机械振动 电机转子质量分布不均匀时，产生

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        2.5 轴承异常产生的机械振动 由于电机滚动轴承损坏、设计制造中误差，在运行中将会出现机械振动，每种规格的滚动轴承，都有其一定的特征频率。而滑动轴承的振动特征频率略低于转子回转频率的一半，通常为0.42-0.48   。

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　　3 基于参数辨识的方法
        该方法通过对定子电压u，以及定子、转子电流X进行测量，然后再基于扩展卡尔曼滤波估计转子的电阻及转子电流的变化，来检测故障的原因。
        上式中F为雅可比矩阵，B为电磁参数矩阵。按照该递归公式，可以得出     的最小二乘估计值     。然后按照下述的1至5式进行修正。  
        以上递归公式可用于在线估计电机的转子电阻以及转子电流的奇变，从而实现转子故障的检测，但应用在不同类型的电机时，需要对电磁参数矩阵进行修改。
        4 瞬时功率分析法
        由于感应电动机额定运行时转差率比较小，在轻载和空载状态时更小，使故障特征难以突出，特别是转子断条在基频成分周围的边频容易被基波淹没。为提出了基于瞬时功率信号频谱分析的诊断方法。
        瞬时功率包含一恒值分量及频率为Zsf的波动分量，恒值功率和电机负载和电机损耗有关。由功率表达式明显可以看出，故障特征分量Zsf包含了电流信号中(l士Zs)f两个分量的作用。因此，气隙功率中Zsf特征分量包含了由于电机转子故障引起的不对称以及速度波动的影响，把该特征分量的幅值与恒值功率的比作为分析电机转子故障严重程度的指标更为合理。
        由于电网电压不受电机运行状态的影响，瞬时功率中故障特征分量形式上与基于Hilbert变换的定子电流解调信号中相同，但实际上瞬时功率中既包含了电流的作用，又包含了电压电流间的相位差φ的影响，其与负载大小、励磁电流等有关，相对于定子电流的解调信号包含了更多的信息成分，也就是说，功率谱对负载变化的响应要比电流强。
        另外，要滤除功率谱中恒值分量来凸现2sf故障特征信号也要比分析电流信号简单一些。但要想判断出电机转子故障并得出其严重程度同样需要合适的处理算法。
        上面的介绍的这几种故障诊断方法中，温度诊断方法属于侵入式设计，振动诊断方法本来是一个故障特征比较明显的方法，同时还具有反映故障信息量大特点，但是在船舶这一特殊领域，由于船舶本身的共振，各种辅助机械的运转产生的振动，导致振动信号所携带的故障特征量中有严重的噪声，甚至特征量其他振动信号所淹没；基于参数辨识的方法因为需要电机的一些机械及电磁参数，因而不利于故障诊断系统的通用性；瞬时功率分析法和气隙转矩分析法均需要船舶感应电机轴承故障诊断系统的研究时采集定子电压和电流，因此测试电路相对复杂，对电压电流信号的相位要求严格，采样时必须保证各路数据的同步采样，因而增加了故障诊断系统的组建难度，无法使故障诊断方式得到普及。对于实际工作中遇到的情况，应考虑不同状况进行分析应用何种方法。

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