基于电机电流特征分析的感应电机轴承故障检测

Akshat Singhal1, Meera A. Khandekar2

印度浦那工程学院仪表与控制系硕士生
印度浦那工程学院仪表与控制系助理教授

摘要

采用一种非侵入式的电机电流特征分析(MCSA)方法可以有效地监测感应电机的健康状况。这个概念是把电动机当作内置在电动机驱动设备中的隐式换能器;因此，电流行为可以用来显示电机的各种健康状况以及它所驱动的负载。这项工作的目的是探索MCSA用于持续监测和诊断目的的可行性。对于信号处理，我们使用快速傅里叶变换。综上所述，研究结果为提高异步电机的可靠性和降低维护成本提供了良好的前景。

关键字

感应电机，特征频率，快速傅里叶变换，MCSA。

介绍

感应电机是许多工业过程的关键组成部分，经常集成在商用设备和工业过程中。电机驱动的设备通常提供业务成功以及设备和人员安全所必需的核心能力。有许多已发表的技术和许多商业上可用的工具来监测感应电机，以确保高可靠性的正常运行时间。尽管有这些工具，许多公司仍然面临意想不到的系统故障和电机寿命缩短。在异常条件下感应电机行为的研究和诊断这些条件的可能性一直是许多电机研究人员具有挑战性的课题。MCSA是最好的选择:它是非侵入式的，并使用定子绕组作为搜索线圈。它不受负载类型和其他不对称的影响。

轴承故障类型

电机轴承发生故障一般是由于负荷过大，轴承内部温度升高，使用不良润滑剂[7]等。轴承主要由外衬道、内衬道、滚珠和保持架组成，保证滚珠之间的等距。轴承可能发生的不同故障，可根据影响元件[3][7]进行分类:

外滚道缺陷

内滚道缺陷

球缺陷

电机电流特征分析

电机电流特征分析(MCSA)是基于异步电机电流监测的，因此成本不高。MCSA使用机器的当前频谱来定位特征故障频率。当存在故障时，线路电流的频谱与正常电机不同。这种故障调节气隙，并在机器的自感和互感中产生旋转频率谐波。它取决于在线路电流[4][5]中定位特定的谐波分量。因此，具有显著的实施效果和经济效益。在研究工作中，采用基于电机电流特征分析(MCSA)的方法对异步电机常见故障进行诊断，如断条故障、短绕组故障、轴承故障、气隙偏心故障和负载故障等。研究中提出的方法可以连续实时跟踪在连续和可变负载条件下运行的感应电机的各种类型的故障。通过实验研究了不同故障对感应电机电流谱的影响。

实验装置

为了诊断感应电机轴承故障，使用相同的实验室试验台，如图2所示。该系统由单相感应电机、电流互感器、NI数据采集卡9203和人员计算机组成，软件采用LabVIEW 2011。

感应电机规格:

0.25惠普,

220/230 V,

1.2

1500 (NL) r / min

电流互感器规格:

比率为30 A/100 mA

负担2 VA

类1

NI 9203daq卡规格:

±20马

8通道

16位

滚珠轴承6203-Z规格:

球元数:8个

节径:29.75 mm

球径:6.35 mm

感应电机轴承为单列深沟球轴承，6203-Z型。每个轴承有八个球。在三个轴承上进行了实验:其中一个轴承未损坏，而两个轴承损坏。一个轴承钻穿外圈，“孔diameterÃ①Â′Â′”为2mm，另一个轴承钻穿内圈，“孔直径”为2mm，如图3和图4所示。6203-Z型轴承在电火花机(EDM)下钻孔，并安装在电机上。

为了检测轴承故障，采用了基于FFT的功率谱。使用虚拟仪器(Virtual Instrumentation, VI)获取光谱，并在LabVIEW中编程建立虚拟仪器。VIs既用于控制测试测量和数据采集，也用于数据处理。定子电流首先在时域内按顺序采样;功率谱的计算和分析，旨在检测特定的频率组成相关的早期故障。对于每一个轴承故障，都有一个可以在频谱中识别的相关频率。将特定频率的振幅与被认为是健康的同一电机的振幅进行比较，以检测故障。根据以分贝为单位的振幅，也可以确定故障状况的程度。单相感应电动机中的电流由电流互感器感应。它将电流降低到3-4 mA。 It is then further supplied to National Instrument Data acquisition card 9203. Data acquisition card is connected to USB 2.0 slot of personnel computer. Angular velocity of induction motor is measured by a digital tachometer. The

“LabVIEW程序”通过功率谱算法将频率为1000个采样/s的采样信号转换到频域。

滚珠轴承的特征频率

在球轴承组件中存在的每个缺陷都会产生一个基本频率的振动，或者几个基本频率的复杂组合。更严重的缺陷可能产生更大振幅的振动并导致谐波。对于滚珠轴承滚道上的缺陷，每次滚子撞击缺陷滚道时，将产生相应的球通内滚道频率fBPFI或球通外滚道频率fBPFO[5]。

(1）

（2）

地点:

n =球的个数

N =转速，单位为RPM

d =球直径

D =轴承节径

β =球与比赛的接雷竞技网页版触角

结果

利用LabVIEW软件对单相感应电机轴承故障进行了检测实验。得到所有情况下健康电机的功率谱，如图5和图8所示。感应电机测试了两个有缺陷的轴承。有缺陷的滚动轴承在机械振动的气隙中产生偏心。气隙偏心引起气隙磁通密度的变化，从而产生可见的定子电流变化。这些变化是由电机内圈故障和外圈故障引起的。通过实验，对空载和满载工况下的外衬故障和内衬故障进行了诊断。从这些实验中得到的结果如下:

A.内部种族缺陷

电机在轴承故障的空载条件下进行试验。轴承的故障是通过在其内圈钻一个直径2毫米的孔造成的。从电机功率谱上观察到，在空载状态下，由于故障频率的大小较小，故障频率不明显。轴承内圈有2mm孔的故障电机在空载状态下的功率谱如图6所示。当在满载条件下再次测试相同轴承的电机时，可以观察到故障频率的幅度有所下降，但在功率谱中略难识别。轴承内圈有2mm孔的故障电机满载工况功率谱如图9所示。电机2mm内圈故障的功率谱如图6和图9所示，空载和满载时的功率谱分析如表1所示。

B.外种族故障

对电机进行了轴承外圈故障检测。最初，在轴承的外圈钻出直径为2mm的孔，然后将其安装在电机中。轴承外圈孔2mm的故障电机在空载状态下的功率谱如图7所示。从图中可以看出，77.55 Hz的功率谱可以清晰地识别出故障频率。在满载条件下对电机进行相同故障的试验，得到了类似的结果。在这种情况下，故障频率出现在77.34 Hz，这表明轴承的外圈故障。这些频率如图10所示。表2给出了带2mm外圈故障的感应电机的功率谱分析。

结论

这项工作包括在空载和满载条件下运行的感应电机轴承故障的实验表征。故障算法监测故障频率的振幅，并跟踪其振幅随时间的变化。振幅的显著变化表明断层正在发育。应用FFT信号调理技术，研究了轴承故障对电机电流的影响。利用NI LabVIEW软件对这些影响进行了研究。在轴承故障中，谐波在施加故障时表现出明显的变化。有缺陷的滚动轴承在机械振动的气隙中产生偏心。气隙偏心引起气隙磁通密度的振动，从而在定子电流谱中产生可见的变化。将信号处理技术(FFT)应用于电机轴承故障检测。实验结果表明，当外配错和内配错尺寸较小时，在功率谱中看不到特征频率。 As severity of fault increases, the characteristic frequencies become visible. The results also show that, for defective bearing having 2 mm diameter hole, the inner race and outer race fault frequencies are slightly difficult to identify in power spectrum at no load condition. As load is increased, fault frequencies become visible.

鸣谢

在此谨向我的导师Meera A. Khandekar女士表示衷心的感谢，感谢她在这项工作的发展过程中给予我的专业指导、鼓励和激励，没有她，这项工作不可能发展到今天的形式。我非常感谢s.l. Patil医生的支持和帮助。最后但并非最不重要的;我很感激家人和朋友给我的支持。

表格一览


表1	表2

数字一览


图1	图2	图3	图4	图5

图6	图7	图8	图9	图10

参考文献

AkshatSinghal, Meera A. Khandekar，“基于快速傅里叶变换的感应电机轴承故障检测”，2013年国际工程技术高级研究会议。
P. F. Allbrecht, J. C. Appiarius和R. M. McCoy等人，“电力应用中电机可靠性的评估-更新，”IEEE能源转换交易，第1卷，第1号，第39-46页，1986。
里德尔J，“滚珠轴承维修”，诺曼，OK Oklohama大学出版社，1955年。
W. T. Thomson和R. J. Gilmore，“电机电流特征分析在感应电机衍生产品中的故障检测-基本原理，数据解释和工业案例历史，第32届涡轮机械研讨会论文集，德克萨斯，A&M大学，美国，2003。
Benbouzid, m.e.h.，“异步电机信号分析作为故障检测介质的回顾”，IEEE工业电子学报，第47卷，10月，第5期，第984-993页，2000。
Randy R. Schoen, Th omas G. Habetler, Farrukh Kamran和Robert G. Bartheld，“基于定子电流监测的电机轴承损伤检测”，IEEE工业应用学报，Vol. 31, No . 6, pp. 1274-1279, 1995。
Eschmann P, Hasbargen L, Weigand K，“球和滚子轴承:它们的理论、设计和应用”(伦敦:K G Heyden)， 1958。