基于气隙磁场检测的交流电动机磨损状态在线监测系统

1、基于气隙磁场检测的交流电动机磨损状态在线监测系统田京涛 刘四清（中国铝业贵州分公司，贵州 贵阳 550014）摘 要 在交流电动机定子槽中嵌放检测线圈，检测线圈的感应电压与检测线圈所包围区域气隙磁场强度存在对应关系，气隙磁场的强度与气隙长度的变化存在对应关系；通过对电动机气隙磁场的在线监测，监视电动机气隙的变化，早期发现电动机的偏心故障，并有效防止电动机的扫膛事故。关键词 交流电动机 检测线圈 气隙磁场 磨损 偏心 监测 1 电动机磨损状态监测的必要性在冶金、石油、化工、发电、造纸、煤矿等行业的大中型企业，多有数十甚至上百台大型高压交流电动机，担负着各种生产设备的动力驱动。这些电动机一旦发生故

2、障停机，将给企业生产带来严重损失。为了提高生产过程的可靠性，大部分企业对大型电动机实行定期检修制度，检修的主要内容之一是对机械故障（包括轴承磨损，轴承走外圆、走内圆等）的检查。在这种维修体制下，不但每年要花费大量的人力、物力，增加大量维修费用，而且对尚未出现故障的电动机进行没有针对性的拆装，极有可能对电机造成损伤，埋下事故隐患，甚至会造成拆装过程中的损坏。电动机磨损状态监测报警就是在线监测电动机气隙偏心的变化趋势和程度，以图表和曲线形式显示气隙偏心的变化，从而早期发现机械故障，有计划地安排电动机的停机、退出、检修，有效避免大型转机由于电动机机械故障突然停机造成生产损失，并可减少电动机日常维护工

3、作量，降低维修费用。2 利用电动机气隙磁场进行电动机磨损监测的原理2.1装置的组成：（图1）电动机机械磨损监测报警装置包括嵌放在电动机定子槽中的检测线圈和与之相连接的保护装置，利用嵌放在电动机定子槽中的检测线圈检测气隙磁场的变化，利用保护装置对检测信号进行处理，从而实现偏心监测。2.2基本原理三相交流电动机在结构上是对称的，三相定子绕组对称分布，互隔120电角度：在理想情况下，定转子铁芯同轴，气隙均匀。若将三相对称绕组接于三相对称电源，则在电动机内部产生均匀的旋转磁场，此时在定子圆周各处气隙磁场的强度大小相等。实际上，三相电源不是绝对对称的，此时即使气隙是均匀的，气隙磁场也会由于电源的不对称而

4、不均匀，但是同相定子绕组的不同极相组的相应位置的气隙磁场还是大小相等，相位致。由于加工、工艺等各方面的限制，新出厂的电动机的气隙就存在偏差；电动机在运行过程中，由于轴承磨损等原因，气隙不均匀程度将逐渐加大，我们关心的是气隙的这种变化。气隙不均匀将导致同相定子绕组的不同极相组的相应位置的气隙磁场的强度的相对变化，气隙小的部位由于磁阻减小而磁场增强，气隙大的部位由于磁阻增大而磁场减弱，同相定子绕组的不同极相组的相应位置的气隙磁场的强度的差值的大小可反映出该两处气隙长度的差别的大小。所以对定转子偏心故障的监视可以通过对所述气隙磁场的强度的差值的监测实现。3 气隙磁场的检测方法和检测线圈的安装3.1

5、气隙磁场的检测方法气隙磁场的检测可利用嵌放于电动机定子槽中的检测线圈来实现。在交流电动机中，主磁场是旋转磁场，其磁密波沿气隙园周按正弦规律分布，并以同步转速n1旋转，此旋转磁场与整距线圈交链的磁通称为主磁通，即气隙磁隙，用m表示。在交流电动机的定子槽中嵌放一个检测线圈，设检测线圈的感应电压为Um，则Um=4.44fwKwm，f是向交流电动机供电的交流电源的基波频率，W是检测线圈的匝数，Kw是检测线圈的绕组系数。Um的大小反映了检测线圈所处区域的气隙磁场的强弱。3.2 检测线圈的安装在电动机定子槽中嵌放6个检测线圈， 6个检测线圈均匀分布；检测线圈节距接近电动机的极距（2极电动机的检测线圈的节距

6、取接近电动机极距的一半），检测线圈仅需1匝；6个检测线圈分为三组，每组两个；同组的两个检测线圈相隔180机械角度，两个检测线圈按电压相减的方向串接，得到感应电压的差值，该差值反映两个检测线圈所处位置的气隙偏差程度；三个差值可反映相隔120机械角度的三个方向的气隙偏差程度。图2是一台4极电动机检测线圈安装原理示意图，检测线圈T1、T4对应A相绕组，T2、T5对应B相绕组，T3、T6对应C相绕组，从ao、bo、co输出3个检测线圈的差值。检测线圈嵌放在定子槽楔下面,采用聚四氟乙烯绝缘耐高温线,占用槽内的空间小,安装方便。在电动机中嵌放检测线圈不必改变电动机的任何结构和参数，不会对电动机本身的性能、

7、质量造成任何不良影响。检测线圈安装有三个途径： 电机厂在电动机制造过程中安装检测线圈，用户购买带检测线圈的电动机。 用户在大修电动机时安装检测线圈。 对于正常运行的电动机，需更换部分槽楔，装入检测线圈；该项工作可以用户自己进行，也可委托专业电机修理单位进行。4 磨损状态监测仪报警仪 BH2080型交流电动机磨损状态监测报警仪是常州帕斯菲克自动化技术有限公司利用专利技术开发的监视交流电动机定转子偏心状态的在线监测智能仪表，该仪表采用先进的高速智能芯片，大屏幕液晶显示器，以直方图的形式显示反映电动机定转子偏心程度的三个感应电压差值信号的初始值和实时值（如图3所示），指示电动机偏心程度的变化；可设定

8、报警值和动作值，从而有效防止电动机扫膛事故发生；该仪表还能以曲线的形式显示感应电压信号变化，最长可记录20000小时信号变化情况，使用户可根据信号变化趋势早期发现偏心故障。仪表可安装RS485通讯接口，实现与上位机的通讯，利用计算机同时监视1200台电动机的磨损状态，可在上位机修改设定值，可利用上位机集中分析感应电压变化趋势，发现异常自动提示，达到更好的监测保护效果。针对高压电动机械采用分体结构仪表，模拟信号处理部分做成一个模块，安装在电动机的测温接线盒中，显示仪表安装在控制柜中，信号处理模块与显示仪表之间采用光纤通讯，实现完全电隔离，提高了安全性能。鉴于大部分高压电动机均安装测温元件监视绕组

9、和轴承温度，该仪表可选配增加五路热电阻输入接口，实现三相绕组和两端轴承的温度的测量和上传，简化现场接线。5 使用和测试情况在此以某铝厂净化风机电动机为例，介绍一下该技术实际使用效果。日本富士电机公司生产，型号MLA1408B，300KW，电动机负载端轴承是6322，风扇端轴承是NU318，气隙长度1mm。共4台同型号电动机进行了偏心监测，其中一台电动机在监测期间出现轴承走外圆故障。图5是正常电动机和发生“走外园”故障的电动机的20000小时曲线对比。从曲线可观察到，正常电动机的曲线基本比较稳定，出现“走外圆”故障电动机的曲线呈现明显上升趋势，经过对问题电动机解体检查，轴伸端端盖轴承位下方出现磨

10、损造成的0.09mm深凹槽。事实证明采用该气隙磁场检测法进行电动机磨损状态的在线监测效果比较理想。6 结论通过检测电动机的气隙磁场监测电动机的偏心进行电动机磨损状态监测，可达到如下效果：1、电动机机械磨损在线监测技术的应用，可有效避免电动机扫膛事故的发生以及伴随而来的铁心和绕组的损坏，节省材料费、人工费，节省修理过程中的能源消耗，并避免铁芯损坏造成电动机性能下降。2、电动机磨损状态监测报警仪可以曲线和图表两种方式进行电动机机械磨损程度的趋势分析，可早期发现机械磨损故障，从而能够做到有计划地安排电动机的停机、退出、检修，有效避免大型转机由于电动机机械故障突然停机造成的生产损失。3、根据电动机机械

11、磨损程度进行状态检修，避免对电动机进行没有针对性的解体检查，减少由此造成的拆装过程中的损坏和损伤，并且节省检修支出。4、实现机械磨损的智能化自动监测，减轻检修工人的劳动强度，减少维护工作量，有利于压缩设备维护费。5、针对防爆电机进行磨损状态在线监测，早期发现问题，可避免由于偏心造成防爆面的磨损和避免磨损造成的高温，提高设备的防爆性能。6、针对大型潜水泵进行磨损状态监测，可解决该类电机设置在水中造成的检查和监测困难的问题，提高设备运行的可靠性。7、若对现场几十或上百台电机进行机械磨损状态监测，由计算机进行统一监控，出现问题自动提示，将使企业电动机的维护检修模式得到改进，进一步提高企业设备管理水平。参考文献作者简介：作者姓名：田京涛 工作单位：中国铝业贵州分公