轴流冷却风机电机频繁烧毁的处理过程及原因分析
摘 要：
电机烧毁是比较严重的设备故障，鉴于此，结合现场具体情况，避开问题误区，介绍了迅速判断故障原因的过程，并采取了正确的处理方法，在此基础上对故障原因进行了详细分析，有利于保证设备安全稳定运行。
0
引言
某浮式储油轮设计有两套天然气压缩机，机组上各配备两台轴流风机，风机由一台15 kw交流电机通过皮带进行驱动，为原动机缸套水和压缩后的天然气提供强制冷却。机组由厂家进行调试后交付现场使用，在投入运行4个月后，一台冷却风机电机烧毁，在之后一段时间，因为相同原因，连续发生了数起风机电机烧毁事故。
1
处理过程
1.1 故障现象
风机电机故障后，现场工作人员首先对风机电机进行电气检查，发现电机主回路mccb动作跳闸，接触器状态良好，热继电器未动作，电机对地绝缘值为零，有一相绕组开路，判断电机已经烧毁。随后对电机进行拆解，发现电机轴承保持架和个别滚珠受损、滚道损伤，轴承组件表面大多为黑褐色，呈现明显的高温氧化特征，各接触面已无润滑油脂覆盖，氧化程度和损伤程度均由内到外逐渐变轻[1]；绕组及隙缝处散落黑色金属粉末；三相绕组全部变色，局部绕组烧毁；绝缘和绑扎带等变黄、变脆，并伴有开裂现象。
1.2 轴承过热
对未损坏、新采购和维修后的电机进行全面检查，电机运行电流平均值为25 a，电机运行电流虽和相匹配的风机有直接关系，但都未超过电机额定电流29.1 a，风机电机对中和风机电机连接皮带等未发现异常，电机驱动端轴承温度为97 ℃，初步判断电机轴承长时间过热运行，导致轴承抱死，最终电机烧毁。
所谓轴承过热，是指电机在运行中，滚动轴承温度超过95 ℃，滑动轴承温度超过85 ℃[2]。轴承过热的常见原因分析如下：
（1）轴承质量较差，制作精度不达标，在设备运行前的运输及搬运过程中道路颠簸，轴承转子上下跳动，或设备长时间未使用，转子受重力作用，在轴承内外环滚道中的轴向中间形成压痕，这种损伤在电机运行时，可听到轴承中发出有节奏的“刚刚”声。
（2）轴承与转子或轴承室的同轴度不符合要求，导致轴承受力增加。
（3）轴承与转子或轴承室配合过紧，使轴承内环或外环挤压变形，轴向游隙变小，不能形成良好的油膜，导致轴承滚动困难，产生较多的热量。
（4）轴承与转子或轴承室配合过松，使轴承内环在转子上、外环在轴承室内快速滑动，摩擦产生大量的热，造成轴承温度急剧上升，严重时会在很短的时间内将轴承损坏；随着轴承内环与转子、外环与轴承室旷量的不断增加，将产生定、转子摩擦，绕组过电流等故障，造成电机烧毁的重大事故。
（5）环境中的粉尘通过轴承盖与转轴的间隙进入轴承中，大幅度降低油脂的润滑功能，增加摩擦阻力，产生较多的热量。
（6）轴电流过大对轴承滑道和滚动体造成损伤，从而产生滚动不畅、摩擦力增大等问题，导致温度上升。
（7）轴承油脂过多、过少或变质；轴承室结构存在问题，注脂孔位置设计缺陷；加注油脂时，换用不同品牌的油脂，油脂混用等都会造成轴承温度升高。
经一段时间排查，共更换轴承四对，其中一对轴承由原型号6309zzc3更换为6309zzc4，增加了轴承游隙；一对更换了轴承厂家。电机烧毁后转子轴颈、轴承室检查结果良好；损坏后返修的电机，各种功能测试正常。轴电流问题大多发生于变频电源供电的电机，特别是大中型容量的电机，而此次风机电机为15 kw，属于小型电机，且由工频电源直接供电，电机发生轴电流问题的可能性极小。
除电机轴电流未进行验证外，对可能造成电机轴承过热的问题都进行了严密排查，仍确认不了造成轴承过热的原因。
1.3 电机高温
电机高温的原因有两个方面：一是散热系统没有起到应有的作用，二是发热部分产生的热量太多。
1.3.1 电机散热不良
（1）环境温度高。据统计，环境温度每增高1 ℃，电机温度将增高0.5 ℃。
（2）海拔超过规定的数值。统计表明，环境海拔每增高100 m，电机温度将在正常数值的基础上增高1%左右。
（3）冷却系统出现故障，机壳表面出现油污、积灰，制造缺陷或设计存在问题等，都有可能造成电机高温。
风机电机安装在浮式储油轮上，海拔不超过50 m，环境温度不超过40 ℃，电机表面干净无油污，电机位于轴流风机的上风口，在使用自身冷却风扇散热的同时，还通过轴流风机强制冷却，电机散热不良问题可被排除。
1.3.2 产生热量过多
（1）电气方面：主要包括电源电压过高、电压过低、三相电流不平衡和电流超过额定值。
（2）机械方面：主要包括附加在电机输出轴上的所有负载超过额定值。
浮式储油轮由配套发电机组供电，电压稳定在400 v，电机三相电流平衡且未超出额定值，轴流风机厂家：moore，属于5433系列，经与厂家确认，该系列轴流风机可以与15 kw电机进行匹配，设计完全符合使用要求。
电机各项参数正常，在强制冷却情况下，电机壳体温度最高为95 ℃，电机高温原因还需要继续排查。
1.4 电机转速
测量电机转速的仪表，按照在测量时是否与电机旋转部分进行接触，可分为接触式和非接触式两种类型；按照转速显示方式，可分为指针式和数字式两种；另外还可以分为机械离心式和电子反光式。为保证测量安全和准确性，测量时选择便携、非接触式、电机转速数字显示激光测速仪；为提高测量准确性，在电机的轴承端缠绕黑色胶带，在胶带上粘贴12 mm左右的发射条，测量电机带载转速为1 247 r/min，低于额定转速1 460 r/min。
正常情况下，电机应维持额定转速运行，造成电机转速偏低的原因主要有：负载过重、电机故障、电源存在问题、启动方式选择或接线存在问题[3]。结合前面的排查过程，后面需要对电机连接方式进行重点排查。
1.5 连接方式
如图1所示，三相电机的接线一般情况下分为3种——星形、延边三角形和三角形。星形接线法把三相绕组的末端接在一起成为一个公共点，三相绕组的初始端接三相电源，适用于功率较小的三相电机；延边三角形接线法是将电机定子绕组的一部分接成三角形，另一部分由三角形的顶点延伸接至电源，延边三角形比普通电机的绕组多3个抽头，至少需要9个电机抽头，电机结构复杂，须专门生产，从而限制了本方法的实际应用；三角形接线法是将三相绕组依次首尾相连，并将每个相连的点引出，作为三相电的三个相线，接线形状似三角形，一般在功率较大的三相电机上使用，其在生活生产中使用最为广泛。
参考电机接线盒内部的电机绕组，经过现场确认，该15 kw交流电机每一相有两个绕组，每一个绕组有两个抽头，三相绕组一共有12个抽头，三相绕组一端有一个公共点，另一端分别接三相电源，确认为星形连接方式。计划把电机三相绕组由星形连接修改为三角形连接后，再进行相关参数测量、功能试验。
2
问题解决
根据接线盒内标识修改电机绕组为三角形连接方式后，启动冷却风机，电机运行电流23 a，转速1 465 r/min，稳定运行4 h，电机表面温度27 ℃，驱动端轴承室温度31 ℃，环境温度7 ℃。
风机电机接线修改为三角形连接方式后，转速高于额定转速，运行电流低于额定电流，电机壳体温度最高为31 ℃。风机电机连续运行6个月后，各项参数仍然正常，未发生烧毁事故，电机频繁烧毁问题成功解决。
3
原因分析
3.1 接线错误
风机电机三相绕组一共有12个抽头，可以接成星形，也可以接成延边三角形或三角形，存在多种连接方式可选；接线图没有标注每种接线方式对应的电源电压，不方便对接线方式进行修改；接线盒内没有接线端子，抽头线号全部包裹在绝缘胶带内，接线方式不容易直接判断；国外调试期间，使用660 v电源[4]，接线方式为星形连接，改为380 v供电后，未对接线方式进行相应调整。
3.2 特性曲线
三相异步电机的工作特性是指在电源电压和频率为额定值的条件下，电机的转速、定子电流、功率因数和效率与输出功率的函数关系[5]，如图2所示。
（1）转速特性n=f（p2）：三相异步电机空载时，转子转速n接近于同步转速n1。随着负载的增加，转速n降低，转差率s增大，转子电流增加，以产生电磁转矩来平衡负载转矩p2。
（2）电磁转矩tem=f（p2）：
转矩平衡方程：
tem=t0+t2=t0+p2/ω
因为空载转矩t0近似不变，且电机转速变化也很小，所以电磁转矩tem随p2的变化近似为一条直线。
（3）电流特性i1=f（p2）：
磁动式平衡方程：
空载时，转子电流i`2≈0，定子电流几乎全部是励磁电流i`m。随着负载的增加，转子电流增加，定子电流也随之增加。 （4）稳定运行区：三相异步电机的机械特性曲线可以分为直线段和近似双曲线段，如图3所示，电机拖动恒功率或恒转矩负载时，只能工作在直线段（稳定区），如a、b两点，但是对于风机类负载，电机还可以工作在近似双曲线段。
综合电机的工作特性和3种类型负载的稳定工作点进行分析，风机电机绕组接线错误，导致电机在欠压状态下工作，转矩按电压二次方减小，在负载转矩不变的情况下，电机转速n急剧下降，转差率s增大，转子电流增加，定子电流也随之增加，电磁转矩tem也开始增加，风机转矩随转速n降低，当电磁转矩等于风机转矩时，无论是在电机机械特性曲线的直线段还是近似双曲线段，风机都可以稳定运行。
3.3 运行电流
某消防设备工作站，对消防用风机、电机做了详实的功能测试，绘制出异步电机的特性图，反映了电磁转矩、定子电流随转速的变化，如图4所示。电机在最大转矩点时转矩为额定转矩的2.2倍左右，转速为额定转速的80%左右，电流为额定电流的2.8倍左右，功率（与转矩、转速的积成正比）为额定功率的1.7倍左右。对比本文所述轴流风机，电机转速1 247 r/min，约为额定转速的85.0%。
电机绕组星形连接，实际运行电流25 a，约为星形连接额定电流的1.5倍，风机电机长时间过流运行，造成电机定子或转子过热，电机的热量传到轴承中，使轴承中的润滑脂温度达到其滴点而变成液态流失，轴承失去润滑而产生较高的热量，导致电机轴承损坏、电机烧毁。
4
结语
电机运行电流小于额定电流，电机轴承损坏导致电机烧毁这一表面现象，使工作人员在处理电机频繁烧毁故障时走进了误区，这是问题没有及时得到解决的重要原因。本文通过对电机轴承、定子、带载情况、接线方式等多方面的排查，对故障进行了多方面分析，最后确定了故障原因，希望能为同类电机烧毁、轴承故障的快速处理提供了一些借鉴。
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引言
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处理过程
1.1 故障现象
风机电机故障后，现场工作人员首先对风机电机进行电气检查，发现电机主回路mccb动作跳闸，接触器状态良好，热继电器未动作，电机对地绝缘值为零，有一相绕组开路，判断电机已经烧毁。随后对电机进行拆解，发现电机轴承保持架和个别滚珠受损、滚道损伤，轴承组件表面大多为黑褐色，呈现明显的高温氧化特征，各接触面已无润滑油脂覆盖，氧化程度和损伤程度均由内到外逐渐变轻[1]；绕组及隙缝处散落黑色金属粉末；三相绕组全部变色，局部绕组烧毁；绝缘和绑扎带等变黄、变脆，并伴有开裂现象。
1.2 轴承过热
对未损坏、新采购和维修后的电机进行全面检查，电机运行电流平均值为25 a，电机运行电流虽和相匹配的风机有直接关系，但都未超过电机额定电流29.1 a，风机电机对中和风机电机连接皮带等未发现异常，电机驱动端轴承温度为97 ℃，初步判断电机轴承长时间过热运行，导致轴承抱死，最终电机烧毁。
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（1）轴承质量较差，制作精度不达标，在设备运行前的运输及搬运过程中道路颠簸，轴承转子上下跳动，或设备长时间未使用，转子受重力作用，在轴承内外环滚道中的轴向中间形成压痕，这种损伤在电机运行时，可听到轴承中发出有节奏的“刚刚”声。
（2）轴承与转子或轴承室的同轴度不符合要求，导致轴承受力增加。
（3）轴承与转子或轴承室配合过紧，使轴承内环或外环挤压变形，轴向游隙变小，不能形成良好的油膜，导致轴承滚动困难，产生较多的热量。
（4）轴承与转子或轴承室配合过松，使轴承内环在转子上、外环在轴承室内快速滑动，摩擦产生大量的热，造成轴承温度急剧上升，严重时会在很短的时间内将轴承损坏；随着轴承内环与转子、外环与轴承室旷量的不断增加，将产生定、转子摩擦，绕组过电流等故障，造成电机烧毁的重大事故。
（5）环境中的粉尘通过轴承盖与转轴的间隙进入轴承中，大幅度降低油脂的润滑功能，增加摩擦阻力，产生较多的热量。
（6）轴电流过大对轴承滑道和滚动体造成损伤，从而产生滚动不畅、摩擦力增大等问题，导致温度上升。
（7）轴承油脂过多、过少或变质；轴承室结构存在问题，注脂孔位置设计缺陷；加注油脂时，换用不同品牌的油脂，油脂混用等都会造成轴承温度升高。
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1.3.1 电机散热不良
（1）环境温度高。据统计，环境温度每增高1 ℃，电机温度将增高0.5 ℃。
（2）海拔超过规定的数值。统计表明，环境海拔每增高100 m，电机温度将在正常数值的基础上增高1%左右。
（3）冷却系统出现故障，机壳表面出现油污、积灰，制造缺陷或设计存在问题等，都有可能造成电机高温。
风机电机安装在浮式储油轮上，海拔不超过50 m，环境温度不超过40 ℃，电机表面干净无油污，电机位于轴流风机的上风口，在使用自身冷却风扇散热的同时，还通过轴流风机强制冷却，电机散热不良问题可被排除。
1.3.2 产生热量过多
（1）电气方面：主要包括电源电压过高、电压过低、三相电流不平衡和电流超过额定值。
（2）机械方面：主要包括附加在电机输出轴上的所有负载超过额定值。
浮式储油轮由配套发电机组供电，电压稳定在400 v，电机三相电流平衡且未超出额定值，轴流风机厂家：moore，属于5433系列，经与厂家确认，该系列轴流风机可以与15 kw电机进行匹配，设计完全符合使用要求。
电机各项参数正常，在强制冷却情况下，电机壳体温度最高为95 ℃，电机高温原因还需要继续排查。
1.4 电机转速
测量电机转速的仪表，按照在测量时是否与电机旋转部分进行接触，可分为接触式和非接触式两种类型；按照转速显示方式，可分为指针式和数字式两种；另外还可以分为机械离心式和电子反光式。为保证测量安全和准确性，测量时选择便携、非接触式、电机转速数字显示激光测速仪；为提高测量准确性，在电机的轴承端缠绕黑色胶带，在胶带上粘贴12 mm左右的发射条，测量电机带载转速为1 247 r/min，低于额定转速1 460 r/min。
正常情况下，电机应维持额定转速运行，造成电机转速偏低的原因主要有：负载过重、电机故障、电源存在问题、启动方式选择或接线存在问题[3]。结合前面的排查过程，后面需要对电机连接方式进行重点排查。
1.5 连接方式
如图1所示，三相电机的接线一般情况下分为3种——星形、延边三角形和三角形。星形接线法把三相绕组的末端接在一起成为一个公共点，三相绕组的初始端接三相电源，适用于功率较小的三相电机；延边三角形接线法是将电机定子绕组的一部分接成三角形，另一部分由三角形的顶点延伸接至电源，延边三角形比普通电机的绕组多3个抽头，至少需要9个电机抽头，电机结构复杂，须专门生产，从而限制了本方法的实际应用；三角形接线法是将三相绕组依次首尾相连，并将每个相连的点引出，作为三相电的三个相线，接线形状似三角形，一般在功率较大的三相电机上使用，其在生活生产中使用最为广泛。
参考电机接线盒内部的电机绕组，经过现场确认，该15 kw交流电机每一相有两个绕组，每一个绕组有两个抽头，三相绕组一共有12个抽头，三相绕组一端有一个公共点，另一端分别接三相电源，确认为星形连接方式。计划把电机三相绕组由星形连接修改为三角形连接后，再进行相关参数测量、功能试验。
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问题解决
根据接线盒内标识修改电机绕组为三角形连接方式后，启动冷却风机，电机运行电流23 a，转速1 465 r/min，稳定运行4 h，电机表面温度27 ℃，驱动端轴承室温度31 ℃，环境温度7 ℃。
风机电机接线修改为三角形连接方式后，转速高于额定转速，运行电流低于额定电流，电机壳体温度最高为31 ℃。风机电机连续运行6个月后，各项参数仍然正常，未发生烧毁事故，电机频繁烧毁问题成功解决。
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原因分析
3.1 接线错误
风机电机三相绕组一共有12个抽头，可以接成星形，也可以接成延边三角形或三角形，存在多种连接方式可选；接线图没有标注每种接线方式对应的电源电压，不方便对接线方式进行修改；接线盒内没有接线端子，抽头线号全部包裹在绝缘胶带内，接线方式不容易直接判断；国外调试期间，使用660 v电源[4]，接线方式为星形连接，改为380 v供电后，未对接线方式进行相应调整。
3.2 特性曲线
三相异步电机的工作特性是指在电源电压和频率为额定值的条件下，电机的转速、定子电流、功率因数和效率与输出功率的函数关系[5]，如图2所示。
（1）转速特性n=f（p2）：三相异步电机空载时，转子转速n接近于同步转速n1。随着负载的增加，转速n降低，转差率s增大，转子电流增加，以产生电磁转矩来平衡负载转矩p2。
（2）电磁转矩tem=f（p2）：
转矩平衡方程：
tem=t0+t2=t0+p2/ω
因为空载转矩t0近似不变，且电机转速变化也很小，所以电磁转矩tem随p2的变化近似为一条直线。
（3）电流特性i1=f（p2）：
磁动式平衡方程：
空载时，转子电流i`2≈0，定子电流几乎全部是励磁电流i`m。随着负载的增加，转子电流增加，定子电流也随之增加。 （4）稳定运行区：三相异步电机的机械特性曲线可以分为直线段和近似双曲线段，如图3所示，电机拖动恒功率或恒转矩负载时，只能工作在直线段（稳定区），如a、b两点，但是对于风机类负载，电机还可以工作在近似双曲线段。
综合电机的工作特性和3种类型负载的稳定工作点进行分析，风机电机绕组接线错误，导致电机在欠压状态下工作，转矩按电压二次方减小，在负载转矩不变的情况下，电机转速n急剧下降，转差率s增大，转子电流增加，定子电流也随之增加，电磁转矩tem也开始增加，风机转矩随转速n降低，当电磁转矩等于风机转矩时，无论是在电机机械特性曲线的直线段还是近似双曲线段，风机都可以稳定运行。
3.3 运行电流
某消防设备工作站，对消防用风机、电机做了详实的功能测试，绘制出异步电机的特性图，反映了电磁转矩、定子电流随转速的变化，如图4所示。电机在最大转矩点时转矩为额定转矩的2.2倍左右，转速为额定转速的80%左右，电流为额定电流的2.8倍左右，功率（与转矩、转速的积成正比）为额定功率的1.7倍左右。对比本文所述轴流风机，电机转速1 247 r/min，约为额定转速的85.0%。
电机绕组星形连接，实际运行电流25 a，约为星形连接额定电流的1.5倍，风机电机长时间过流运行，造成电机定子或转子过热，电机的热量传到轴承中，使轴承中的润滑脂温度达到其滴点而变成液态流失，轴承失去润滑而产生较高的热量，导致电机轴承损坏、电机烧毁。
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结语
电机运行电流小于额定电流，电机轴承损坏导致电机烧毁这一表面现象，使工作人员在处理电机频繁烧毁故障时走进了误区，这是问题没有及时得到解决的重要原因。本文通过对电机轴承、定子、带载情况、接线方式等多方面的排查，对故障进行了多方面分析，最后确定了故障原因，希望能为同类电机烧毁、轴承故障的快速处理提供了一些借鉴。
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