孫 磊

(第四八零八工廠威海修船廠，山東 威海 264200)

某船主機(jī)缸套預(yù)熱水泵配套電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y801-2-H，功率 0.75 kW ，電壓 380 V ，電流 1.8 A，轉(zhuǎn)速 2 820 r/min。修后試驗(yàn)時(shí)發(fā)生運(yùn)行電流過大故障，實(shí)測空載運(yùn)行電流1.9 A，負(fù)載運(yùn)行電流4.6 A，嚴(yán)重超標(biāo)。

1 故障原因分析

導(dǎo)致三相異步電動(dòng)機(jī)電流過大有內(nèi)外兩大因素，外因主要為負(fù)載大或電源電壓過高，內(nèi)因是電動(dòng)機(jī)本身制造和裝配的質(zhì)量問題，主要表現(xiàn)在空載電流過大上。

絕大部分的空載電流用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，稱為空載激磁電流，是空載電流的無功分量。還有很小一部分空載電流用于產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的各種功率損耗(如摩擦、通風(fēng)和鐵損耗等)，這一部分是空載電流的有功分量，因占的比例很小，可忽略不計(jì)。因此，空載電流可以認(rèn)為都是無功電流。從這一觀點(diǎn)來看，它越小越好，這樣電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)提高了，對(duì)電網(wǎng)供電是有好處的。因定子繞組的導(dǎo)線截面面積是一定的，允許通過的電流也是一定的，如果空載電流增大，則允許通過導(dǎo)線的有功電流就只能減小，電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)的負(fù)載就要減小。但是，空載電流也不能過小，否則會(huì)影響到電動(dòng)機(jī)的其他性能。總之空載電流是三相異步電動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)，它是鑒定電動(dòng)機(jī)制造和修理的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。一般0.55～2.20 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)，其空載電流約為額定電流的40%～55%。[1]

從試驗(yàn)結(jié)果看，主機(jī)缸套預(yù)熱水泵電機(jī)的空載電流(1.9 A)已超過額定電流(1.8 A)，測量輸入電壓385 V，用手轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸手感輕便無卡滯，基本上可排除外部因素，初步判斷是電動(dòng)機(jī)自身質(zhì)量問題。電動(dòng)機(jī)自身質(zhì)量問題導(dǎo)致空載電流過大，主要包括以下幾個(gè)方面。

1.1 定子質(zhì)量問題

1)定子繞組匝數(shù)少于正常值。根據(jù)歐姆定律，異步電動(dòng)機(jī)的空載電流I0的計(jì)算方法如下[2]：

(1)

式中，Bg為電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通密度；Rmδ為電動(dòng)機(jī)的氣隙磁阻；RmFe為電動(dòng)機(jī)的鐵芯磁阻；K為常數(shù)；N為定子繞組的匝數(shù)。

公式(1)中，異步電動(dòng)機(jī)定子的繞組匝數(shù)N減少，將導(dǎo)致空載電流增大。

2)定子繞組接線錯(cuò)誤。應(yīng)為三相星接實(shí)為三相角接、并聯(lián)支路數(shù)多于設(shè)計(jì)值(例如應(yīng)1路串聯(lián)實(shí)為2路并聯(lián))等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律和電動(dòng)勢(shì)公式，工頻異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通密度與相電壓及定子繞組的關(guān)系見公式(2):[2]

(2)

式中：Ke為定子繞組壓降系數(shù)；Kdp為定子繞組系數(shù)；U為相電壓；τ為極距；l為定子鐵芯長度。

三相星接錯(cuò)接成三相角接，相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)相電壓增大了。公式(2)中電壓增大，氣隙磁通密度增大，空載電流將顯著增大；并聯(lián)支路數(shù)增加，繞組電阻減小，此時(shí)空載電流將成倍增加。

3)定子鐵芯硅鋼片質(zhì)量差。硅鋼片為不合格品或用火燒法拆除有故障的繞組時(shí)將鐵芯燒壞。火燒方法會(huì)使定子硅鋼片退火，造成其導(dǎo)磁率下降，導(dǎo)致鐵芯磁阻增大，根據(jù)公式(1)，空載電流也增大。況且燒壞鐵芯片間絕緣，一方面增大了鐵芯渦流而增大空載電流，另一方面造成了鐵芯疊壓不緊，鐵芯磁阻增大，導(dǎo)致空載電流增大。

4)鐵芯長度不足或疊壓不實(shí)，造成有效長度不足。公式(2)中鐵芯長度減小，氣隙磁通密度增加，空載電流增大。

5)定子鐵芯軸向壓裝不到位置，定、轉(zhuǎn)子軸向錯(cuò)位較多。定、轉(zhuǎn)子軸向錯(cuò)位，導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子磁路不能完全重合，漏磁增加，使繞組電流增大，出力減少。

1.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量問題

1)轉(zhuǎn)子外圓加工尺寸小于正常值，定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙較大。氣隙的大小對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的性能、運(yùn)行影響較大。氣隙過大使磁阻大增，從而使勵(lì)磁損耗增大，勵(lì)磁電流也隨之增大，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)也會(huì)下降，使電動(dòng)機(jī)的性能變差。為減小勵(lì)磁電流和改善功率因數(shù)，應(yīng)盡量減少氣隙，但氣隙過小，又會(huì)使氣隙諧波磁場增大，電機(jī)雜散損耗和噪聲增加，使最大轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都減小。[3]氣隙小容易使運(yùn)行中的轉(zhuǎn)子和定子碰擦，發(fā)生“掃膛”現(xiàn)象，從而降低運(yùn)行的可靠性，也給裝配帶來困難。一般小型異步電動(dòng)機(jī)的氣隙約在0.25～1.50 mm之間。[4]

2)轉(zhuǎn)子裝反。如果轉(zhuǎn)軸兩端的軸承位與轉(zhuǎn)子鐵芯邊距離相同，轉(zhuǎn)子裝反，電機(jī)也能正常運(yùn)行：若距離不等，反裝后，定、轉(zhuǎn)子軸向錯(cuò)位較多，導(dǎo)致磁路不能完全重合，漏磁增加，繞組電流增大。

3)轉(zhuǎn)軸材料導(dǎo)磁性差。通常電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸一般都是由中碳鋼或合金鋼制成，中小型電機(jī)轉(zhuǎn)軸的材料常用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)于小功率電機(jī)，有的用Q235A普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)軸常用不銹鋼材料。不銹鋼按組織結(jié)構(gòu)分為奧氏體型不銹鋼和馬氏體型不銹鋼。奧氏體型不銹鋼由于加入含量較高的鉻和鎳(含鉻在18%左右，鎳在4%以上)，鋼的內(nèi)部組織呈現(xiàn)一種叫奧氏體的組織狀態(tài)，這種組織是沒有導(dǎo)磁性的，不會(huì)被磁化，不能被磁鐵所吸引。馬氏體型不銹鋼通過熱處理使其內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，機(jī)械性能優(yōu)于奧氏體型不銹鋼，具有導(dǎo)磁性，會(huì)被磁化，能被磁鐵吸引。

磁路中磁阻的大小與組成磁路的材料性質(zhì)有關(guān)，由于磁阻效應(yīng)，不導(dǎo)磁的奧氏體型不銹鋼做電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸會(huì)導(dǎo)致磁阻增大，使電流成倍增長。因此，一般不能用奧氏體型不銹鋼做電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸，只有對(duì)磁通有特殊要求的電機(jī)才會(huì)使用。

2 故障排查

2.1 定子質(zhì)量問題排查

在車間選擇一臺(tái)與水泵電機(jī)同型號(hào)的通風(fēng)機(jī)，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行空載試驗(yàn)，測量空載運(yùn)行參數(shù)正常；水泵電機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行空載試驗(yàn)，測量空載運(yùn)行參數(shù)異常，空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將水泵電機(jī)與風(fēng)機(jī)電機(jī)拆卸分解，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)子與風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子互換后組裝，分別進(jìn)行空載試驗(yàn)，測量空載運(yùn)行參數(shù)。水泵電機(jī)轉(zhuǎn)子換到風(fēng)機(jī)上，空載電流變大；風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子換到水泵上，空載電流正常，基本不變。試驗(yàn)結(jié)果可以排除定子存在質(zhì)量問題，并可確定轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量問題。

2.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量問題排查

1) 氣隙檢查。Y801-2電動(dòng)機(jī)裝配主要尺寸如表2所示。

表2 Y801-2電動(dòng)機(jī)裝配主要尺寸 mm

實(shí)測電機(jī)數(shù)據(jù)符合電動(dòng)機(jī)裝配主要尺寸要求，氣隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)?？梢耘懦龤庀洞笠鹂蛰d電流過大的因素。

2) 轉(zhuǎn)子裝反檢查。將水泵電機(jī)轉(zhuǎn)子顛倒方向安裝，在車間試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行空載試驗(yàn)，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)子正裝和反裝空載電流都是1.9 A，沒有變化。說明轉(zhuǎn)軸兩端的軸承位與轉(zhuǎn)子鐵芯邊距離相同，轉(zhuǎn)子反裝也能正常運(yùn)行?？梢耘懦D(zhuǎn)子裝反，引起空載電流大的因素。

3) 轉(zhuǎn)軸材料導(dǎo)磁性差。轉(zhuǎn)軸外觀光亮無銹蝕，不能被磁鐵吸引，初步判斷轉(zhuǎn)軸為奧氏體型不銹鋼，取樣化驗(yàn)結(jié)果為1Cr18Ni9Ti。

由此，可以確定導(dǎo)致水泵電機(jī)空載電流過大的原因是轉(zhuǎn)軸材質(zhì)不符合要求?？赡苁请妱?dòng)機(jī)在某次修理時(shí)，更換了轉(zhuǎn)軸材質(zhì)。

3 解決方案

3.1 轉(zhuǎn)軸材質(zhì)選擇

轉(zhuǎn)軸是電機(jī)中的一個(gè)重要零件，作為電機(jī)與設(shè)備之間機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的紐帶，支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零部件、傳遞力矩和確保轉(zhuǎn)動(dòng)零部件對(duì)定子的相對(duì)位置。因此，轉(zhuǎn)軸必須具有一定的強(qiáng)度和剛度，確保預(yù)定設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)。

從水泵的角度來講，轉(zhuǎn)軸在保證機(jī)械性能的前提下力求耐腐蝕性；從電動(dòng)機(jī)的角度來講，轉(zhuǎn)軸應(yīng)有良好的機(jī)械性能，同時(shí)必須具有導(dǎo)磁性；電動(dòng)機(jī)與水泵同軸，二者兼顧，綜合考慮，宜選用馬氏體型不銹鋼材質(zhì)。工廠常用馬氏體型不銹鋼材質(zhì)為2Cr13，最終選用2Cr13調(diào)質(zhì)材料加工轉(zhuǎn)軸。

3.2 轉(zhuǎn)軸測繪加工

將轉(zhuǎn)子放到壓力機(jī)上，將轉(zhuǎn)軸壓出。用卡尺和千分尺測量轉(zhuǎn)軸尺寸，繪制轉(zhuǎn)子軸加工圖，轉(zhuǎn)子軸加工圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子軸加工圖

3.3 轉(zhuǎn)軸裝配試驗(yàn)

將轉(zhuǎn)子鐵芯放到壓力機(jī)上，將轉(zhuǎn)軸壓入轉(zhuǎn)子鐵芯，裝配時(shí)確保轉(zhuǎn)軸與鐵芯相對(duì)位置正確。

水泵電機(jī)更換2Cr13材質(zhì)的轉(zhuǎn)軸后進(jìn)行空載和負(fù)載試驗(yàn)，空載0.9 A,負(fù)載1.5 A。試驗(yàn)結(jié)果電機(jī)空載電流和負(fù)載電流均符合要求，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常，故障排除。

4 結(jié)束語

造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障的因素很多，繞組參數(shù)、部件材質(zhì)、接線方式、修理和裝配質(zhì)量等均可能造成電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障。所以在制造或修理過程中應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)和工藝進(jìn)行，嚴(yán)禁隨意改變技術(shù)狀態(tài)，防止無依據(jù)、盲目地更換部件，產(chǎn)生人為故障而對(duì)電機(jī)運(yùn)行造成不利影響。