某船主机缸套预热水泵电机电流过大故障分析与排除

孙 磊

(第四八零八工厂威海修船厂，山东 威海 264200)

某船主机缸套预热水泵配套电动机型号为Y801-2-H，功率 0.75 kW ，电压 380 V ，电流 1.8 A，转速 2 820 r/min。修后试验时发生运行电流过大故障，实测空载运行电流1.9 A，负载运行电流4.6 A，严重超标。

1 故障原因分析

导致三相异步电动机电流过大有内外两大因素，外因主要为负载大或电源电压过高，内因是电动机本身制造和装配的质量问题，主要表现在空载电流过大上。

绝大部分的空载电流用来产生旋转磁场，称为空载激磁电流，是空载电流的无功分量。还有很小一部分空载电流用于产生电动机空载运行时的各种功率损耗(如摩擦、通风和铁损耗等)，这一部分是空载电流的有功分量，因占的比例很小，可忽略不计。因此，空载电流可以认为都是无功电流。从这一观点来看，它越小越好，这样电动机的功率因数提高了，对电网供电是有好处的。因定子绕组的导线截面面积是一定的，允许通过的电流也是一定的，如果空载电流增大，则允许通过导线的有功电流就只能减小，电动机所能带动的负载就要减小。但是，空载电流也不能过小，否则会影响到电动机的其他性能。总之空载电流是三相异步电动机的重要参数，它是鉴定电动机制造和修理的重要标准之一。一般0.55～2.20 kW的三相异步电动机，其空载电流约为额定电流的40%～55%。[1]

从试验结果看，主机缸套预热水泵电机的空载电流(1.9 A)已超过额定电流(1.8 A)，测量输入电压385 V，用手转动电机转轴手感轻便无卡滞，基本上可排除外部因素，初步判断是电动机自身质量问题。电动机自身质量问题导致空载电流过大，主要包括以下几个方面。

1.1 定子质量问题

1)定子绕组匝数少于正常值。根据欧姆定律，异步电动机的空载电流I0的计算方法如下[2]：

(1)

式中，Bg为电动机的气隙磁通密度；Rmδ为电动机的气隙磁阻；RmFe为电动机的铁芯磁阻；K为常数；N为定子绕组的匝数。

公式(1)中，异步电动机定子的绕组匝数N减少，将导致空载电流增大。

2)定子绕组接线错误。应为三相星接实为三相角接、并联支路数多于设计值(例如应1路串联实为2路并联)等。根据电磁感应定律和电动势公式，工频异步电动机的气隙磁通密度与相电压及定子绕组的关系见公式(2):[2]

(2)

式中：Ke为定子绕组压降系数；Kdp为定子绕组系数；U为相电压；τ为极距；l为定子铁芯长度。

三相星接错接成三相角接，相当于电动机相电压增大了。公式(2)中电压增大，气隙磁通密度增大，空载电流将显著增大；并联支路数增加，绕组电阻减小，此时空载电流将成倍增加。

3)定子铁芯硅钢片质量差。硅钢片为不合格品或用火烧法拆除有故障的绕组时将铁芯烧坏。火烧方法会使定子硅钢片退火，造成其导磁率下降，导致铁芯磁阻增大，根据公式(1)，空载电流也增大。况且烧坏铁芯片间绝缘，一方面增大了铁芯涡流而增大空载电流，另一方面造成了铁芯叠压不紧，铁芯磁阻增大，导致空载电流增大。

4)铁芯长度不足或叠压不实，造成有效长度不足。公式(2)中铁芯长度减小，气隙磁通密度增加，空载电流增大。

5)定子铁芯轴向压装不到位置，定、转子轴向错位较多。定、转子轴向错位，导致定、转子磁路不能完全重合，漏磁增加，使绕组电流增大，出力减少。

1.2 转子质量问题

1)转子外圆加工尺寸小于正常值，定、转子之间的气隙较大。气隙的大小对异步电动机的性能、运行影响较大。气隙过大使磁阻大增，从而使励磁损耗增大，励磁电流也随之增大，电动机的功率因数也会下降，使电动机的性能变差。为减小励磁电流和改善功率因数，应尽量减少气隙，但气隙过小，又会使气隙谐波磁场增大，电机杂散损耗和噪声增加，使最大转矩和起动转矩都减小。[3]气隙小容易使运行中的转子和定子碰擦，发生“扫膛”现象，从而降低运行的可靠性，也给装配带来困难。一般小型异步电动机的气隙约在0.25～1.50 mm之间。[4]

2)转子装反。如果转轴两端的轴承位与转子铁芯边距离相同，转子装反，电机也能正常运行：若距离不等，反装后，定、转子轴向错位较多，导致磁路不能完全重合，漏磁增加，绕组电流增大。

3)转轴材料导磁性差。通常电动机转轴一般都是由中碳钢或合金钢制成，中小型电机转轴的材料常用45优质碳素结构钢，对于小功率电机，有的用Q235A普通碳素结构钢，水泵电机转轴常用不锈钢材料。不锈钢按组织结构分为奥氏体型不锈钢和马氏体型不锈钢。奥氏体型不锈钢由于加入含量较高的铬和镍(含铬在18%左右，镍在4%以上)，钢的内部组织呈现一种叫奥氏体的组织状态，这种组织是没有导磁性的，不会被磁化，不能被磁铁所吸引。马氏体型不锈钢通过热处理使其内部组织转变为回火马氏体，机械性能优于奥氏体型不锈钢，具有导磁性，会被磁化，能被磁铁吸引。

磁路中磁阻的大小与组成磁路的材料性质有关，由于磁阻效应，不导磁的奥氏体型不锈钢做电动机转轴会导致磁阻增大，使电流成倍增长。因此，一般不能用奥氏体型不锈钢做电动机转轴，只有对磁通有特殊要求的电机才会使用。

2 故障排查

2.1 定子质量问题排查

在车间选择一台与水泵电机同型号的通风机，在试验台上进行空载试验，测量空载运行参数正常；水泵电机在试验台上进行空载试验，测量空载运行参数异常，空载试验数据如表1所示。

表1 空载试验数据

将水泵电机与风机电机拆卸分解，水泵电机转子与风机电机转子互换后组装，分别进行空载试验，测量空载运行参数。水泵电机转子换到风机上，空载电流变大；风机电机转子换到水泵上，空载电流正常，基本不变。试验结果可以排除定子存在质量问题，并可确定转子存在质量问题。

2.2 转子质量问题排查

1) 气隙检查。Y801-2电动机装配主要尺寸如表2所示。

表2 Y801-2电动机装配主要尺寸 mm

实测电机数据符合电动机装配主要尺寸要求，气隙在标准范围之内。可以排除气隙大引起空载电流过大的因素。

2) 转子装反检查。将水泵电机转子颠倒方向安装，在车间试验台上进行空载试验，水泵电机转子正装和反装空载电流都是1.9 A，没有变化。说明转轴两端的轴承位与转子铁芯边距离相同，转子反装也能正常运行。可以排除转子装反，引起空载电流大的因素。

3) 转轴材料导磁性差。转轴外观光亮无锈蚀，不能被磁铁吸引，初步判断转轴为奥氏体型不锈钢，取样化验结果为1Cr18Ni9Ti。

由此，可以确定导致水泵电机空载电流过大的原因是转轴材质不符合要求。可能是电动机在某次修理时，更换了转轴材质。

3 解决方案

3.1 转轴材质选择

转轴是电机中的一个重要零件，作为电机与设备之间机电能量转换的纽带，支撑转动零部件、传递力矩和确保转动零部件对定子的相对位置。因此，转轴必须具有一定的强度和刚度，确保预定设计功能的实现。

从水泵的角度来讲，转轴在保证机械性能的前提下力求耐腐蚀性；从电动机的角度来讲，转轴应有良好的机械性能，同时必须具有导磁性；电动机与水泵同轴，二者兼顾，综合考虑，宜选用马氏体型不锈钢材质。工厂常用马氏体型不锈钢材质为2Cr13，最终选用2Cr13调质材料加工转轴。

3.2 转轴测绘加工

将转子放到压力机上，将转轴压出。用卡尺和千分尺测量转轴尺寸，绘制转子轴加工图，转子轴加工图如图1所示。

图1 转子轴加工图

3.3 转轴装配试验

将转子铁芯放到压力机上，将转轴压入转子铁芯，装配时确保转轴与铁芯相对位置正确。

水泵电机更换2Cr13材质的转轴后进行空载和负载试验，空载0.9 A,负载1.5 A。试验结果电机空载电流和负载电流均符合要求，电动机运行正常，故障排除。

4 结束语

造成电动机运行故障的因素很多，绕组参数、部件材质、接线方式、修理和装配质量等均可能造成电动机发生故障。所以在制造或修理过程中应严格按照标准和工艺进行，严禁随意改变技术状态，防止无依据、盲目地更换部件，产生人为故障而对电机运行造成不利影响。