摘. . 要：电机作为国民生产生活中最为重要的机电能量转换设备，无论是在工业生产领域，还是在人们的日常生活中都是不可或缺的一环，一旦电机发生故障，轻则对人民日常生活造成短期影响，重则对国民经济造成重大损失乃至造成企业员工生命安全受到威胁。而工业生产环境的复杂性、制造缺陷、老化磨损等原因造成的电机故障时有发生，高故障率所带来设备损坏和停产损失都是不可忽视的，以渤海海域某海上采油平台为例，停产一小时所造成的产量损失高达 308700 元人民币，因此，电机的运行状态检测、微机保护和故障判断一直以来都是国内外电机研究者的研究热点。
关键词：数据分析；感应电机；故障判断
以往的电气故障诊断多为人工分析，故障诊断的准确与否多依赖于分析者的能力，由于人脑对于数据分析的能力有限，仅能从正常、异常、故障等几个点的范围去分析电机的运行数据，无法从电机原理的层次对运行数据进行更深维度的分析。
伴随着现当代传感器领域技术的迅猛发展，电机的电流、电压、振动等运行数据采集频率得到了很大的提高，与此同时，MATLAB、PYTHON、SPSS 等数据分析软件在各行业各领域的普及，使电机故障诊断技术得到了大幅度的提升，为电机故障诊断专家系统的实现提供了可能。
1 多传感器信息融合技术
多传感器信息融合技术是一门起源于军事应用的新兴综合学科，它来自于通 过多个(种)雷达的信号综合处理从而更合理地锁定目标的军事应用中。经过二十多年的发展，由于其容错性好、系统精度高、信息处理速度块、互补性强、信息获取成本低等方面的优势
[1] 。而电机故障诊断的技术特点与该融合
技术高度契合，多传感器信息融合技术作为一个诊断框架，对多个传感器采集到的运行数据进行综合分析处理，实现对电机故障的精确诊断。
信息融合作为协调优化和综合处理的关键环节，对最终故障诊断结果的可靠性起着至关重要的作用，数据处理的流程分为三个层级，数据层，特征层，决策层，这也就决定了数据融合自下向上可以分为三种融合方式，数据层级融合，特征层级融合和决策层级融合。不同的层级融合各有优缺点，因此需要根据数据的特点，选择恰当的融合方式。
图 1 数据层融合系统结构图
上图为数据层级融合的系统结构图，这种处理方式会对传感器采集到的所有数据直接进行融合处理，在该层级融合的优点是融合信息丢失最少，同时也存在数据未经任何处理直接融合，需要处理的数据量大，系统容错能力较低的问题。
图 2 特征层融合系统结构图
上图为特征层级融合系统的结构图，该结构将传感器采集到的数据先进行特征提取，对于特征提取后的结果进行信息融合，对融合后的信息做故障识别。相较数据层融合，该结构有一定的信息损失，但同时也减少了计算量，提高了系统的容错性。
图 3 决策层融合系统结构图
上图为决策层级融合系统的结构图，就单个传感器而言该结构相似于传统的单参数、单特征的故障判断方式，根据单个传感器所采集到的数据进行特征提取和故障判断，在最终的决策层做信息融合和。这种融合方式要求前期的特征提取环节和故障识别环节准确度较高，所以前期信息损失量最多。而后期信息融合时仅剩识别结果，所以计算量小，应用也更加灵活。
2 电机故障特征分析
根据电机故障类型可分为电气故障和机械故障，根据电机故障发生的位置不同，一般将电机故障分为以下四类，定子故障、转子故障、轴承故障和气隙偏心故障。当这些故障发生时，绝大多数都会有异常振动产生，而这些异常振动都会有一定的特征周期分量产生，因此也有大量故障信息包含于振动数据中。因此，海上采油平台对于外输泵、注水泵等重要生产流程中的重点电机都安装有振动检测系统。电机振动会带来磁场的变化，而电机的工作原理是电磁感应，因此磁场的变化会对电机电流产生影响，电流传感器的工作原理决定电流检测数据具有干扰低、数据准确度高的特点。以分层分布系统为例，电流采集系统的采集频率可以达到数万赫兹，这使得电机振动导致的磁场变化带来的高次谐波检测分析成为可能。
2.1 定子故障特征分析
正常运行时，异步电机转子以一个低于同步转速 n 0 的速度沿着磁场方向旋转，电机转动过程中的振动频率受到洛伦兹力的作用，受力部位也不断改变，而这种改变的频率由磁场变化周期决定，故供电频率决定磁场变化周期，同时也决定了定子的振动频率。当定子发生故障时，旋转磁场发生变化，振动频率也会随之发生变化。因此可以通过定子的振动频率变化来判断电机定子故障。
振动异常会产生畸变的磁场，畸变的磁场会使定子电流中感应出于异常振动相对应的谐波分量，在这些谐波分量中，3次谐波和 5 次谐波的幅值增加最为明显，所以，我们可以将 3次和 5 次谐波的幅值变化作为判断定子绕组故障的判断依据。2.2 转子故障特征分析鼠笼式异步电机在直接启动时会产生额定电流4-7倍的启动电流，当电机频繁启停或者重载时，如果散热不良会导致转子承受较大的机械应力和热应力，久而久之极易导致转子焊接点等薄弱环节发生开焊或断裂情况。电机运行时，转子回路闭路笼条中产生感应电流，负载越大，感应电流越大，开焊点或断裂点会因感应电流而产生电弧，而分流定律决定，总电流一定的情况下，断裂笼条流经电流减小时，临近笼条电流增大，这将导致临近笼条承受的机械应力和热应力进一步恶化，转子受损情况加剧。
在理想情况下，电机定子电流频率为电源频率，但当转子回路出现故障时，定子电流频谱将在电源频率相差二倍转差频率(±2sf)的两边位置上出现边频带，英国学者 Hargis 等对这一现象进行了推论证实
[2] 。因此，通过数据分析软件对定子电流
数据进行解析，频率为(1±2sf)的分量可以作为判断是否发生转子笼条断裂的依据。
2.3 轴承故障特征分析
根据轴承中摩擦的性质，可以将轴承分为滚动轴承和滑动轴承，感应电机多采用滚动轴承，滚动轴承由内圈、外圈、保持架、滚动体四个部分组成，内圈安装在轴径上，外圈安装在轴承孔上，当内圈与外圈发生相对旋转运动时，滚动体沿着内外圈之间的滚道滚动，保持架使得滚动体均匀分布，防止滚动体间相互碰撞而发生磨损，下图为轴承结构示意图。
图四 轴承结构示意图
（左：深沟球轴承，中：圆锥滚子轴承，右：推力球轴承）以渤海海域某海上采油平台统计数据为例，轴承故障发生概率占电机所有故障的 60%左右，由此可见，轴承在电机运行过程中起着至关重要的作用，因此，很多国内外电机专家对于轴承故障判断方法进行研究。电机正常运行时的振动频率与电动机的转频，滚动体直径，轴承节圆直径，滚动体数目以及滚动体的接触角有关。当电机轴承发生故障时，异常振动会使得电机的气隙磁场发生周期性变化，而这种周期性变化会以感应电动势和感应电流的方式作用于定子电流，使得正常运行的定子电流频率中叠加轴承故障振动特征频率，因此，可以通过以下公示作为判断轴承故障的依据。
外滚道故障特征频率：
) cos 1 (
2
b
d
d
rm od
P
B
f
n
f - =
内滚道故障特征频率：
) cos 1 (
2
i b
d
d
rm d
P
B
f
n
f + =
保持架故障特征频率：
] ) cos ( 1 [
2
P
2
b b
d
d
rm
d
d
d
P
B
f
B
f - =
滚动体故障特征频率：
) cos 1 (
2
1
c b
d
d
rm d
P
B
f f - =
f rm ——电动机的转频
n——滚动体数目，
B d ——滚动体直径
P d ——轴承节圆直径，
β——为滚动体的接触角。
2.4 气隙偏心故障特征分析
常见的导致气隙偏心的原因主要有轴承磨损，安装误差以及转子刚度不足。气隙偏心分为静态偏心，动态偏心，混合偏心和轴向变化偏心，气隙偏心会导致气隙磁场发生畸变，电机性能恶化，严重情况下甚至会导致定转子之间摩擦，电机烧毁。
Cameron 等学者以磁导势和磁导波为理论基础，并通过实验验证了气隙偏心故障对定子电流的影响，为气隙偏心故障的电流检测判断提供了有效依据。
气隙偏心的振动检测研究十分复杂，由转子偏心所导致的不平衡磁拉力是电机振动的一个重要因素，通过国内外电机学者的实验研究发现，气隙偏心故障不仅可以通过电流检测，也可以通过振动检测，对于静态偏心而言，振动主齿谐波为其振动故障特征，对于动态偏心而言，特殊谐波分量是识别是否存在气隙偏心的故障特征。
3 结语
本文综述国内外对于感应电机定子故障、转子故障、轴承故障和气隙偏心故障研究概况的基础上，提出了通过多传感器融合技术以及数据分析方法实现电机故障判断专家系统的发展方向，并对各故障的判断依据做出了进一步讨论，旨在启发研究思路，为后续的电机故障诊断专家系统研究奠定理论基础。
参考文献：
[1]马平，吕锋，杜海莲，王瑞，牛成林．多传感器信息融合基本原理及应用【J】．控制工程，2006，01：48-51+77．[2]Hargis C..Steady-state analysis of 3-phase cage motors withrotor-bar and end-ring faults[J]．Electric Power Applications，1983，130(3)：226-227．
作者简介 ：
王书来（1982—），性别：男，籍贯：河南省驻马店市，单位：中海石油（中国）有限公司天津分公司，职称：中级职称（电气工程师），研究方向：电气工程及其自动化。
