牵引电机的主要故障及诊断方法综述*

杨宏博，刘诗佳，宋永丰，黄 金

（1 中国铁道科学研究院研究生部，北京100081；2 北京纵横机电技术开发公司，北京100081；3 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

牵引电机的主要故障及诊断方法综述*

杨宏博1，刘诗佳2，宋永丰3，黄 金3

（1 中国铁道科学研究院研究生部，北京100081；2 北京纵横机电技术开发公司，北京100081；3 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

以牵引电机使用过程中发生的常见故障为研究对象，从电气和机械两方面分析了电机故障的原因，电机在实际使用过程中存在多重故障同时发生的情况，需要综合多种诊断方法，现介绍了基于电流分析法、小波分析和神经网络、Park矢量变换、扩展Park矢量变换等多种故障诊断方法，为电机故障诊断的研究提供指导。

牵引电机；故障分析；诊断方法

牵引电机作为主要动力设备，对动车组的可靠运行起着至关重要的作用，同时电机故障所造成的损失和维修费用也是相当可观的。因此分析牵引电机的故障及对故障诊断方法的探索具有重要理论研究价值和工程实践意义。

1 牵引电机的故障类型及原因

牵引电机主要故障可分为两大类，电气类故障和机械类故障。其中电气类故障有定子绕组故障、定子铁芯故障、转子故障等，机械类故障指轴承故障。

电机定子绕组故障主要包括层间、匝间绝缘击穿，定子绕组接地及定子绕组断路等。绝缘击穿的主要原因有线圈松动导致层间垫条磨损、线圈制作过程中匝间绝缘遭受损伤或匝间绝缘材质不良、匝间绝缘厚度不够或结构不合理等。定子绕组接地是由于电机长期处于过载状态或操作过电压，导致绕组绝缘老化变质，从而引起绝缘对地击穿［1］。另外导电粉尘致使爬电距离缩小，线圈短路继而烧焦绝缘，也都会使绕组发生接地故障。定子绕组很少发生断路故障，一般是因线圈端部遭受电磁力和机械力的振动，致使导线焊接点开焊，或因焊接工艺不当，引起焊接点过热造成开焊，有时导线存在夹层、脱皮等缺陷也会导致绕组断路（图1）。

铁芯松动一方面是由于制造时铁芯压装不紧或定子铁芯紧固件松脱或失效时发生的，另一方面是电机运行时，其铁芯会受热膨胀、遭受附加压力，使受热软化的漆膜“凸起”被压平，降低了冲片间的密合度，导致铁芯产生松动。铁芯松动会导致电磁噪声增加，长期存在将导致绕组绝缘因振动大而缩短寿命。

转子故障表现为笼条及端环断裂、开焊。电机在反复启动、运行、停转过程中，转子不仅承受很大冲击力和热应力，还会受到较大离心力的作用，由于存在变形和位移，笼条和端环会因应力分布不均匀而断裂。另外，负载变化和电压波动使笼条在交变负荷的作用下容易产生疲劳。若笼条的材质不佳，或笼条与端环焊接方法不当，焊接内应力没有彻底消除，将更容易发生转子故障，出现电机启动时间延长、转差率增大、电机噪声增加甚至更严重的影响［2］。

轴承的内外滚道和滚动体表面之间既承受载荷又相对滚动，在交变载荷的作用下，表面间存在着极大的循环接触应力，因此容易在滚动体和滚道表面形成疲劳源，出现小颗粒状剥落，即发生轴承疲劳剥落（点蚀）故障。由于轴承表面有较大的电流通过，轴承表面长期存在有润滑油、水分或湿气等，同时轴承套环在轴承座孔中或者轴颈上产生微小相对运动，轴承会分别产生电腐蚀、化学腐蚀和微振磨耗腐蚀。腐蚀失效会加剧轴承的磨损。轴承零件断裂是由于工作应力过大或热处理、磨削以及装配不当引起残余应力造成的，此外，装配方法和装配工艺的不当，也可能造成轴承套环挡边和滚子倒角处断裂失效，滚珠崩裂。轴承熔合失效是由于电机启动加速度过大、速度过高、温度过高、润滑不良导致轴承的外滚道或内滚道与滚动体表面之间由于受热而局部熔合在一起的。

2 电机故障诊断方法

通过分析定子三相电流，文献［3］开发了电机故障诊断虚拟仪器系统，诊断电机定子绕组匝间短路、转子断条、气隙偏心等故障。定子的三相电流由传感器测得，故障诊断系统相应模块将信号适当放大，进行A/D转换和数据采集，以及对采样信号进行时域和频域分析。由于不同故障模式会产生不同的电流频谱，其中定子绕组匝间短路时三相定子电流不对称，出现负序电流分量；转子断条或气隙偏心故障发生时也会在定子绕组中出现不同频率的电流分量。将以上故障特征作为故障诊断依据，由设计程序处理，最终输出电机的故障状态，从而实现电机故障的在线诊断和自动识别。

根据电机振动信号能较全面反映电机的运行状态的特点，文献［4］提出了一种基于小波分析和神经网络的电机故障诊断方法，以诊断转子故障为例，将加速度传感器拾取的电机机体振动信号作为分析对象，采用小波时频分析技术对振动信号进行A/D转换和离散化处理先得到样本信号。利用Matlab软件编写小波包信号分析程序求取频带能量，并提取出样本信号故障特征向量，训练BP神经网络进行故障识别，若在误差允许范围内期望输出和实际输出相符，便可用于诊断其他振动信号，该方法不需要建立电机的故障诊断模型，能有效提高电机故障诊断的准确性。

文献［5］基于定子电流信号处理对电机转子故障和气隙不均匀故障进行诊断分析。电机故障时，定子电流的幅频特性和相频特性会有明显的变化，相同频带内信号的能量会有较大差别，通过对采集到的定子电流信号进行小波分解和分解系数重构，提取各频带范围的信号特征，以各频带信号的总能量构造特征向量，经过RBF神经网络训练学习后，建立能量变化到各类故障之间的映射关系，最终确定故障类别。该方法从能量分布的角度出发，可快速且较为准确地诊断出电机故障。

文献［6］介绍了峰值能量法和冲击脉冲法，用于诊断电机轴承的故障。峰值能量法利用轴承发生故障时会产生高频振动的机理，将传感器拾取的振动信号进行滤波放大处理，保留高频分量，根据能量的大小判断轴承损坏的程度。冲击脉冲法基于轴承有缺陷会产生脉冲性振动且冲击脉冲的强度反映了故障程度的原理，利用轴承故障分析仪采集脉冲冲击值，将少量强冲击脉冲相关的最大值与大量弱冲击脉冲相关的最小值作差，来分析轴承是否损坏或品质是否有所下降，差值通常很小，随轴承损坏程度的增大而增大。

文献［7］将Park矢量变换应用于异步电机的故障诊断中，应用矢量变换将三相对称定子电流产生的合成基波旋转磁场等效变换为两个轴线相互垂直的合成磁场，使电机定子三相电流能够在d，q坐标系的平面轨迹图中表示，用图形化的方式表述电机的状态信息。电机正常工作时电流Park矢量轨迹接近于圆，当电机出现断条故障时，Park矢量轨迹为非圆，当电机定子绕组短路时，Park矢量轨迹是一个椭圆，椭圆的长轴指向故障相。Park矢量变换能正确提取异步电机的故障特征，有效鉴别电机的多种故障及故障存在位置。

文献［8］分析了扩展Park矢量方法诊断鼠笼型异步电机转子断条故障的有效性。基于Park矢量，对Park矢量的模进行频谱分析。转子发生断条故障时，扩展Park矢量的频谱当中包含电源电流基频分量为主要成分的直流分量和断条故障所对应的两个边频交流分量。通过分析实测数据，得出扩展Park矢量频谱分析的结果与计算结果相吻合，验证了运用扩展Park矢量方法诊断转子断条故障的可用性和准确性。

电机的故障诊断方法多种多样且各有利弊。故障诊断虚拟仪器系统具有界面友好、操作简单等优势，但传统的基于傅里叶变换的信号分析方法难以对故障信号中的微弱信号和奇异信号成分进行特征提取；小波变换与神经网络相结合的诊断方法以方便信号特征提取的优势得到广泛应用，但计算量比较大，还会受到神经网络结构选择、训练程度及收敛速度的影响；Park矢量变换方法利用定子电流轨迹图的几何形状，更直观地鉴别电机的故障情况，但实际测量的电机定子电流通常存在谐波和噪声信号，对于故障特征的提取和判定有一些难度。

以上方法均在试验中验证了故障诊断的有效性，但由于电机在实际故障时一般会影响多个参数变化，同时体现故障特征的信号比较微弱并且不是唯一的，这对故障诊断和定位带来极大的困难。若要实现电机故障的在线诊断，可通过综合多种诊断方法，识别故障特征，从而得出较为准确的诊断结果。例如以虚拟仪器系统为平台，采集并向系统输入电机的振动信号和定子电流信号，在软件的程序中添加小波变换、神经网络、Park矢量变换和扩展Park矢量变换等故障诊断方法，将采集到的信号用多种方法同时诊断，并对诊断结果进行对比，输出故障特征明显的故障模式作为诊断系统最终的结果，同时各种方法的分析结果也可通过点击软件面板相应的按钮显示出来，方便后续故障分析和软件程序修改。以这种方式进行电机故障在线诊断，可以避免单一诊断方法的局限性，扩展了诊断系统的适用范围。

3 结束语

本文对牵引电机使用过程中发生的主要故障进行分类，简要分析故障发生的原因，并介绍了电机主要故障的诊断方法，最后提出电机故障在线诊断的思路。通过多种方法对故障进行诊断和比较，能够得出更为准确的诊断结果，具有实际应用价值。

［1］ 韦光庆.电机检修技术问答［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［2］ 郭世明.机车检测与故障诊断技术［M］.北京：中国铁道出版社，2011.

［3］ 郑玉芳，马松龄.基于电流分析法的电动机故障诊断虚拟仪器系统的研制［J］.计算机测量控制，2010，18（3）：512-514.

［4］ 王红君，刘冬生，岳有军.基于小波分析和神经网络的电机故障诊断方法研究［J］.电气传动，2010，40（3）：69-73.

［5］ 肖蕙蕙，熊隽迪，李川，何莉.基于定子电流监测方法的电机故障诊断［J］.电机与控制应用，2008，35（1）：54-57.

［6］ 付茂生.电机故障诊断探讨［J］.电站系统工程，2006，22（6）：48.

［7］ 张 强，张建文，张 勇.Park矢量变换在异步电机故障诊断中的应用［J］.煤炭技术，2006，25（6）：35-36.

［8］ 张建文，张振明，朱宁辉，姚 奇.基于Park矢量的变频电源供电的笼型异步电机转子断条故障诊断方法［J］.华北电力大学学报，2006，33（6）：39-42.

［9］ 刘曼兰，崔淑梅.永磁直流电机绕组脱焊故障在线诊断与分析［J］.电机与控制学报，2008，12（4）：430-434.

Review of Main Fault and Diagnostic Method for Traction Motor

YANG Hongbo1，LIU Shijia2，SONG Yongfeng3，HUANG Jin3
（1 Graduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Beijing Zongheng Electromechanical Technology Development Co.，Beijing 100081，China；3 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Taking the common faults of traction motor as the research object，this paper analyzes the failure causes of motor from mechanical and electrical aspects.Multiple failures of traction motor occur simultaneously during the actual usage，so it needs a variety of diagnostic methods to broaden the application range of fault diagnosis.This paper introduces a variety of the diagnosis methods of motor faults，such as the current analysis，wavelet analysis and neural networks，Park vector transformation and extended Park’s vector method.It provides guidance for the fault diagnosis research of traction motor.

traction motor；fault analysis；diagnostic method

U264.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.17

1008－7842（2014）05－0069－03

*铁道部科技研究开发计划项目（2012J005－A）

8—）男，硕士研究生（

2014－02－28）