使用电机电路分析的直流电机测试优势

直流 (DC) 电机的电气测试在工业、制造业和维修中心都是一项挑战。 关键问题是，如果不提供确切的信息，能否将一个线圈与另一个线圈进行比较。 在这篇文章中，将讨论使用电机电路分析（MCA）进行简单测试以增加测试和分析结论的信心问题。

术语MCA来源于一种测试方法，它提供了关于交流或直流电动机的基本组件的信息。 这些基本组成部分包括

• 电阻，以欧姆为单位
• 阻抗，以欧姆为单位
• 电感，以亨里为单位
• 感应绕组相角，以度为单位
• 绝缘电阻，以兆欧为单位

本文将提到的仪器通过产生一个低电压、真正的正弦波、交流电（阻抗、电感、相位角）、频率为100到800赫兹的信号来提供这些读数，一个低电压直流信号用于电阻测试，500或1000伏直流用于绝缘电阻测试。

此外，还进行了一种称为 I/F 的特殊测试，将应用频率提高一倍，然后根据绕组阻抗的变化得出一个比率。 引入这项测试是为了识别绕组中可能存在的早期绕组短路。 使用应用数据，直流电动机绕组的状况可以通过线圈比较、与已知读数比较，或通过一段时间内绕组的变化趋势进行评估。

本文将介绍的直流电机包括串联直流电机、并联直流电机和复合直流电机。 所述的一些基本测试可在永磁体、直流伺服、直流机床和其他设备上进行（尽管无刷直流电机的评估方式与交流电机类似）。 直流电动机的类型可以通过其绕组和连接来描述。

直流电动机理论

直流电动机在电力的基本原理下运行：两个相互成一定角度的磁场之间的相互作用将吸引/排斥导致运动。 在直流电动机的情况下，电源被提供给定子磁场和电枢，产生的磁场在电学上彼此相差约90度。 由此产生的电枢与磁场的吸引/排斥力产生一个扭矩，电枢转动。

直流电动机的基本组成部分包括。

• 框架– 构成了机器的外部结构。 它用于安装电机的大多数其他部件
• 磁场– 这些线圈安装在磁场极片上，产生静止磁场。
• 极间线圈 – 这些线圈位于磁场线圈之间，产生的磁场用于防止电刷产生过多火花。
• 端罩– 也称为轴承座，用于安装电刷和电刷索具，以及安装轴轴承，将电枢固定在机架中心。
• 电刷索具– 将电刷固定在电枢换向器上方并定位。 通常情况下，使用一个张力装置来保持刷子上的恒定压力。
• 电刷– 用于向电枢提供直流电。 电刷骑在换向器上。
• 换向器– 由许多被云母分隔的铜条组成。 每根杆子都与电枢中的线圈相连。
• 电枢– 这是包含线圈的电机旋转部分。

与大多数交流电机不同，直流电机需要向电场和电枢提供单独的电源。 提供给定子磁场的直流电会产生恒定的南北磁场。 提供给电枢的直流电会产生与静止电场成90度的南北两场。

当电枢产生扭矩并向相应的北极或南极移动时，电刷就会改变换向器上的位置，使另一组与静止磁场成 90 度角的线圈通电。 这实际上使电枢成为一个交变电流元件，因为电流会根据电刷位置向一个方向移动，然后在电机运行时向另一个方向移动。

电刷被设置在这样一个位置，它们在电气上是 “中性 “的（没有来自定子磁场的感应电流），以减少火花。 在大多数直流电动机连接中，通过改变电枢电压，可以改变工作速度。 直流电机固有的一个普遍危险是，如果在保持电枢电流的情况下失去了磁场电流，电机可能会起飞，速度会增加，直到电枢自毁。

可用于识别直流电动机类型的三种基本绕组类型包括。

• 系列。通常出现在需要高启动扭矩的应用中。 它们由一组标记为S1和S2的大线和相对较少匝数的场绕组组成，串联到标记为A1和A2的中间电极和电枢上（见图1）。 串联式电机通常用作牵引电机，基本电阻非常低。
• 分流。通常出现在需要恒定速度的应用中。 它们由一组匝数较多的较细导线组成，单电压时标记为 F1 和 F2，双电压时标记为 F1、F2、F3 和 F4，中间极和电枢标记为 A1 和 A2（见图 2）。 并联电机通常用作起重机和机床电机，其基本电阻相对较高。
• 复合型。结合了串联和并联绕组电机的优点。 它们提供了一个相对较高的扭矩，对工作速度的变化有基本的抵抗力。 该连接结合了串联和分流连接（见图3）。 复合电机是最常见的，在工业制造中很常见。

可以看出，在组装的直流机器中，很少有线圈可以相互比较。 不过，可以制定绕组测试程序，提供高水平的测试结果置信度。

常见的直流电动机电气故障

有一些常见的直流电动机的电气故障，其中最常见的将在这里描述。 这些都是由于温度、摩擦和内部污染物（如碳或石墨）造成的直流电机设计特有的问题。

直流电机绕组故障最常见的原因之一是绕组被电刷上的碳或石墨（碳）粉尘污染。 细小的粉末渗透到所有固定和旋转的绕组中，并将在导体之间或导体与地之间形成一个路径。 当用压缩空气吹碳或清洁和烘烤电枢时，碳通常会滞留，而清洁和维护方法又会使问题进一步恶化。 在这两种情况下，碳可能会紧紧地挤在角落里，通常就在换向器后面。 这将以接地故障或在换向器连接处短路而告终。

另一个常见故障是直流电机的冷却问题，这一点往往没有得到考虑。 发生这种情况的原因可能是冷却通道被堵塞，电枢转得太慢而没有额外的冷却，或者是过滤器太脏（最常见的与冷却有关的故障）。 温度是电气设备最大的敌人，特别是绝缘系统，温度每升高10摄氏度，其寿命就会减少一半（公认的经验法则）。 随着绝缘的减弱，其可靠性也在下降，直到发生匝间绕组故障。 除了绝缘系统退化外，电刷也会加速退化，导致换向器的磨损增加，并造成绕组的额外碳污染。

另一个与热有关的故障是在电枢处于静止状态（去电）的情况下电场通电的做法产生的。 这是一种常见的操作模式，需要一个单独的鼓风机为电机提供冷却，而电机通常有过滤器，必须保持清洁。 这种故障通常会导致并联线圈短路，降低电机产生转矩的能力，如果维护不当，还可能导致电枢超速的危险情况。

换向器也提供了出现故障的机会，同时也是电机运行和状况的一个指标。 一个正常运行的直流电动机在换向器上会有一层细小的碳釉，条状物看起来很均匀。 换向器条烧焦、条纹状玻璃、严重积碳或换向器过热的情况表明存在潜在问题，应予以解决。

电枢测试

直流电枢是最耗时但最容易测试的部件。 将介绍三种基本方法：趋势；组装；以及拆解。 在趋势测试中，将使用所有测量值，但在组装和拆卸测试中，将使用棒对棒阻抗测量值。 查看阻抗是因为电枢是一个交流部件，简单的电阻测量可能会错过一些故障，包括短路和接地。 趋势分析将在本文后面的直流电动机整体趋势分析程序中进行回顾。

当测试一个装配好的直流电动机电枢时，最好的方法是使用电动机电刷进行通常被称为条对条的测试。 如果是有两组电刷的直流电动机，没有一组电刷需要升起，如果是有四组或更多电刷的直流电动机，除了两组互成90度的电刷外，其他都需要升起，这就把它们从测试电路中剔除。 确保换向器上保持良好的接触，确保90%以上的电刷与换向器杆接触，并确保换向器杆清洁。 如果它们不干净，在测试之前，用认可的方法轻轻地抛光电枢。 如果换向器磨损严重，则需要拆卸换向器并对其进行 “旋转和下切”，在这种情况下，应进行拆卸的棒对棒测试。 一旦设置好，在换向器上标记一个杆的位置，然后把杆带到一个位置，使其刚好在一个电刷的前缘之下。 在组装的测试中，你可能会用画笔覆盖至少一个半条。 进行阻抗测试，记下读数，并移动电枢，使电刷的前缘在下一个换向器杆上。 读取下一个阻抗读数，继续下去，直到每根钢筋都测试完毕。 一个好的结果将显示一个一致的模式，而一个不一致的模式将确定一个糟糕的电枢。

拆卸后的棒对棒测试与组装后的测试类似，只是电枢离开了框架，测试人员可以完全接触到换向器。 在这种情况下，测试仪将使用电枢夹具或测试导线来连接棒与棒之间。 每个阻抗读数之间的间隔应该是恒定的，并且彼此之间大约有90到180度。 应标记第一条，然后继续测试，直到测试夹具或测试导线的一条腿绕换向器 360 度。 标出每个条形测试的阻抗，然后查看以确保有一个一致的模式。

系列电机测试

串联式电动机对故障排除非常具有挑战性，因为它们不提供成套的场来进行比较。 读数可以从S1到S2和A1到A2，然后随时间变化或与其他类似机器进行比较。

在对读数进行长期趋势分析时，必须对简单的电阻读数进行温度校正，通常是相对于^25oC。阻抗和电感通常因温度而变化有限，而相位角和I/F读数将保持恒定，不受温度影响。 I/F和相位角的变化将表明匝数短路，而阻抗和电感的变化通常表明绕组脏。

比较同类电机需要额外的信息。 操作者要确保电机的制造商和设计，以及速度、功率等都是一样的。 型号 “马达必须是新的或按照原制造商的规格重新组装的。 在进行比较读数时，电机与电机之间的测试温度应相似，但 I/F 和相位角读数可直接进行比较。 这些读数的变化不应超过I/F的+/-2点和相位角的+/-1度。 与并联线圈相比，串联磁场绕组改造时的一个常见错误是错误更换导线尺寸，这将影响电机产生扭矩的能力。

分流电机测试

双电压并联电机提供了比较两套绕组的能力，而单电压电机将有与测试串联电机绕组相同的测试程序，使用F1到F2，而不是S1到S2。

在双电压下，分流绕组被标记为F1到F2和F3到F4，允许分析人员测试和比较这两组绕组。

在测试和排除随时间变化的读数时，必须对简单的电阻读数进行温度校正，通常是相对于^25oC。由于电路的简单电阻较高，阻抗和电感的变化会比串联绕组电机大。 相位角和I/F将保持恒定，在1到2点之内，与温度无关。 I/F和相位角的变化将表明匝数短路，而阻抗和电感的变化通常表明绕组脏。 F1 与 F2 和 F3 与 F4 之间的电阻、电感和阻抗比较应小于 3%，I/F 或相位角的差异不超过 1 个点。

同类电机的测试和比较方法与串联绕线电机相同。 如果可能的话，在对读数进行趋势分析时，应在与之前测试相同的温度下测试电机。 例如，在关闭运行设备的几分钟内，或在启动设备之前，这样可以在类似的温度下进行测试。

复合式直流电动机测试

有了复合马达，就地测试、趋势分析和故障排除就简单多了。 单电压复合电机通常标有 A1 至 A2、S1 至 S2 和 F1 至 F2，双电压复合电机通常标有 A1 至 A2、S1 至 S2、F1 至 F2 和 F3 至 F4。 复合绕组电机的一个关键附加点是，串联绕组通常绕在并联绕组之上，允许这两个绕组之间可能出现故障。

在复合电机中，通常从直流驱动终端进行测试。 使用ALL-TEST进行的标准MCA测试涉及低电压、高频率的信号，不会伤害设备的输出电子，减少了测试时断开驱动器引线的需要。 然而，如果分析人员希望检查串联和并联绕组之间的绝缘电阻，则必须将引线从驱动器上断开。 当从直流驱动的趋势，测试A1到S2和两个现场引线，然后在S2和F1引线之间进行500伏的绝缘电阻测试，并与以前的测试或类似的电机进行比较，在任何情况下，绝缘电阻读数应保持在100兆欧姆以上。

ALL-TEST装置允许分析仪立即比较过去和现在的读数，作为一种快速检查，使分析仪能够迅速决定进一步测试绕组。 正如在串联和并联电机测试技术中提到的，在两次测试之间，I/F和相位角读数的变化不应超过1点，然而随着时间的推移，串联和现场绕组会相互之间有很大的变化。

复合电机的故障排除应在电机本身进行。 断开所有的电机引线，并将它们分开。 按照串联和并联绕组的说明测试串联和现场绕组，然后在串联和并联绕组之间进行绝缘电阻测试，绝缘电阻应大于100兆欧姆。

MCA直流电动机测试说明

在任何类型的直流电动机上使用MCA测试，可以得到几个关键点。

1. 任何超出-15至-50范围的I/F读数，例如-56，表明有绕组故障。
2. 如果测试显示同一电路的引线之间的电阻为无限大，表明绕组开路。
3. 在两次测试之间，如果简单的电阻增加，经温度校正后，表明连接松动，特别是当阻抗和电感读数改变时。 当对温度进行校正时，简单电阻的降低可能表明存在短路，通常伴随着阻抗、电感、相位角和I/F的变化。
4. 当测试类似电机时，I/F和相位角的变化不应超过2点，任何大于此的差异都应促使进行全面分析。
5. 通过电枢电路进行测试时发生的变化应提示进行棒对棒测试。

通过遵循这些简单的指示，使用MCA设备，将使你在设备运行过程中出现故障之前很长时间就能捕捉到早期故障。 如果作为预测性维护计划的一部分进行测试，那么间隔时间至少应该是表1中所示的那些。

表1:直流电动机测试频率

一般的维护测试是指那些不随时间变化的趋势。 通常伴有振动、轴承注油、换向器检查和电刷检查。 预测性维护测试通常包括随时间变化的趋势读数，以检测潜在故障，然后确定拆卸电机进行纠正性维护的最佳时间。 一旦检测到潜在的故障，检测频率应该增加，直到确定需要拆除电机。 由于换向器的高应力和碳污染，完整的电枢测试应与一般或预测性维护测试一起进行。

总结

利用静态电机电路分析的新技术，直流电动机的一般电气测试变得更加容易。 第一次可以在设备停止运行之前检测到串联、并联和电枢绕组的早期匝道故障。 预测性维护测试可以从驱动器上进行，故障诊断测试在电机上进行。 一般来说，测试相对较快，每台电机的预测性维护测试需要不到5分钟，排除故障需要额外时间。 总的来说，与传统的连续性测试方法相比，MCA测试极大地改善了直流电动机测试。

关于作者

霍华德-W-彭罗斯博士在电动机和电动机维修行业有超过15年的经验。 从美国海军的电机维修技工开始，到现场服务和评估各种类型的小型到大型旋转设备，担任中西部一家大型电机维修店的总工程师。 彭罗斯博士直接参与了交流、直流、绕线转子、同步、机床和特种设备的复卷、培训和故障排除。 他的进一步研究涉及电动机和工业可靠性、测试方法、能源效率和维护对生产的影响。 彭罗斯博士是IEEE芝加哥分会的前任主席，IEEE芝加哥的电介质和电气绝缘协会的前任主席，电气制造线圈和绕组协会的专业成员，美国能源部认证的MotorMaster专业人员，振动分析师，红外线分析师和电机电路分析师。