电机烧毁的原因分析及寿命影响要素

张南工业知识2024-04-10 10:53:12  74

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电机烧坏是一种常见的机械设备故障,其背后的原因纷繁复杂,涉及多个层面的设计、选用、使用及维护因素。下面我们将详细剖析各个可能的成因:

1. 过载:当电机的实际工作负载持续超过其设计容量时,会导致电机内部发热加剧,长期处于过载状态将使电机过热,进而引发电机绕组绝缘破坏,最终可能导致电机烧毁。因此,合理控制电机负载,避免长时间、高强度的过载运行至关重要。

2. 冷却不足:电机在运行中必然产生热量,良好的散热机制对于保持电机正常工作至关重要。如果冷却系统出现故障,比如通风不良、冷却通道受阻塞,或者冷却设备效能下降,都有可能使得电机无法有效散热,从而造成电机内部温度过高,导致电机烧毁。

3. 电压波动:电网电压的不稳定,无论是瞬间的尖峰电压还是持续的欠电压,均会对电机的正常运行带来严重威胁。电压突增会使流经电机的电流增大,加速电机发热;而电压偏低则可能导致电机为了维持输出功率而加大电流,同样引发电机过热。

4. 频繁启动和停止:电机每次启动时需消耗较大的启动电流以克服自身的转动惯性和负载阻力。频繁启动和停止,尤其是在高负载需求场合,会使电机频繁承受较大热负荷,累积的热量若不能及时散去,就可能造成电机过热甚至烧毁。

5. 电气不平衡:供电系统中的三相不平衡,包括相电压或相电流的不均匀,乃至缺相现象,都会使电机绕组受到不均衡的电动力作用,引起电机过热直至烧毁。

6. 机械问题:诸如定转子不对中、摩擦阻力过大、轴系卡滞、轴承磨损失效等问题,均会增加电机的机械阻力,迫使电机额外消耗更多能量,从而导致电机发热过度而受损。

7. 内部杂质或污染:电机内部一旦混入金属屑等导电杂质,有可能直接导致绕组短路;同时,灰尘、油污等污染物堆积在电机内部,不仅影响冷却效果,还可能降低电机绕组的绝缘性能,增加电机烧毁的风险。

8. 老化磨损:电机如同其他机械设备,存在使用寿命限制。随着时间推移,电机内部组件会出现磨损老化现象,降低运行效率,并增加故障发生的概率。

9. 不正确的规格或安装:电机的选择应根据实际应用场景来确定,选用规格过大或过小的电机都可能引发一系列问题。另外,不规范的电机接线或安装方式也可能成为电机烧毁的诱因。因此,在电机选型和安装环节必须遵循正确的方法和标准,确保电机能够安全、高效地运行。

电机是由多个部件和多种材料组成的一个集合体,因此在讨论电机寿命时,就要找到这里面最薄弱的一环。如何找呢?不妨我们做个事后诸葛亮,看看市面上电机失效的主要原因占比吧,如下图所示。

从图中可以看出,电动机失效中有51%的原因来自于轴承故障,其次是定子故障和外部原因各占16%,其它的比例较小就可以忽略不计了。如果我们假定外部环境正常,可以说电机的寿命主要取决于轴承寿命和定子绕组寿命。

其中轴承寿命主要取决于润滑脂寿命(当然滚动疲劳也影响轴承寿命,但影响程度不如温度,特别是对于应用在电机里面的轴承来说),润滑脂寿命又主要取决于温度。定子绕组寿命主要却决于绝缘材料的寿命,绝缘材料寿命也主要取决于温度。谁不说呢,都是温度搞的鬼。

接下来就方便了,想知道电机寿命,只需要重点关注轴承润滑脂的寿命和定子绝缘材料的寿命就可以了。不过有一点要提前说明,那就是寿命到了并不意味着不能用了,而是说它不能达到规定的设计指标了,这个概念大家要有清晰的认知。

轴承润滑脂寿命

大家都了解轴承疲劳寿命的计算方法,这个已经有比较成熟先进的模型了。但是大多数时候轴承润滑脂的寿命会短于轴承疲劳寿命,在轴承的总寿命中起着主导作用。但不幸的是,由于润滑脂润滑的复杂性,目前还没有预测润滑脂寿命的物理模型。SKF开发了一个经验模型,可以计算出“优质润滑脂”的润滑脂寿命(或再润滑间隔)。

如下图所示,对于电机中常用的深沟球轴承,可根据润滑脂性能系数(GPF)来预测已知润滑脂的寿命。GPF=1对应于“优质润滑脂”的性能。许多润滑脂类型的性能优于标准的“优质”,其GPF大于1。图中显示了润滑脂寿命与温度、转速(n dm)和润滑脂质量的关系。

从上图中也可以看出,如果轴承温度每升高15°C,其寿命将减少一半。对于再润滑轴承,再润滑的周期参照下图。

电机绝缘材料寿命

电机中的各种损耗都会产生热量,这些热量会对电机绕组中的绝缘系统产生直接的影响。

正如我们前面说的,绝缘寿命不是指绕组绝缘突然的灾难性失效,而是指系统绝缘性能的逐渐老化和退化。如果绝缘达到不能承受施加电压的程度,绕组就会发生击穿短路。

根据NEMA的设计规范,通常电机可以在规定绝缘等级对应的最高温度下满负荷持续运行20000小时。绝缘材料承受的温度每超过10°C,绝缘寿命将减少50%。相反,电机每低于最高温度运行10°C,绝缘寿命将增加一倍。如下图所示。

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