Artigo Científico - Detecção de falhas no estator da máquina de indução trifásica através da análise de vibração e fluxo magnético

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A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes 
Anais do 2° COEN- Congresso de Engenharias - Universidade Federal de São João del-Rei - MG 
Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 
Detecção de falhas no estator da máquina de indução trifásica através da 
 análise de vibração e fluxo magnético 
 
Lamim, P. C. M. (plamim@yahoo.com), Brito, J. N. (antoniofpg@gmail.com), Souza, G. R. 
(geraldor@ufsj.edu.br), Christoforo, A. L. (alchristoforo@yahoo.com.br) 
 
Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ); Departamento de Engenharia Mecânica (DEMEC) 
 
RESUMO: Neste trabalho será apresentado o estudo da detecção e diagnóstico de falhas nos 
enrolamentos dos motores de indução trifásico através da técnica de análise de vibração e fluxo 
magnético. Foi obtida uma relação entre as principais falhas de origem elétrica (curto circuito entre 
espiras e desequilíbrio de fase) com os sinais de fluxo magnético, sendo estabelecidas as freqüências 
características de falhas. Os resultados experimentais comprovaram a eficiência da junção das 
técnicas de detecção, diagnóstico e monitoramento. Podendo ser futuramente incluídos em 
Programas de Manutenção Preditiva. 
 
PALAVRAS-CHAVE: motor de indução trifásico, fluxo magnético, análise de vibração. 
 
Detection of low insulation and unbalance voltage in three phase induction motors using 
vibration and magnetic flux analysis 
 
ABSTRACT: This work proposes the application of the vibration and magnetic flux analysis for the 
detection and diagnosis of the low insulation between turns and unbalance voltage of induction 
motors. The results showed the efficiency of the technique and their relevance to detect and diagnose 
faults in induction motors. In this way it is possible to include it in a maintenance programs. 
 
KEYWORDS: three-phase induction motors, vibration analysis and magnetic flux. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2°COEN - UFSJ 
XII CONEMI 
São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 
 
 
 
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1. INTRODUÇÃO 
 
 
Os motores de indução são usados no mundo inteiro em aplicações industriais. Tais 
motores são máquinas robustas e usadas não somente em serviços gerais, mas também em 
locais perigosos e nos ambientes severos. As aplicações de uso geral dos motores de indução 
incluem acionamentos de bombas, compressores, ventiladores, equipamentos para 
processamento e manuseio de cargas. Por outro lado, as aplicações em ambientes perigosos 
incluem plantas de gás natural e petroquímica, quanto aos ambientes severos, têm-se 
aplicações em elevadores de grão, retalhadoras e equipamentos para plantas de carvão. 
Um programa de manutenção preditiva deve englobar várias técnicas de monitoramento 
da condição do motor elétrico. Dentre elas, pode-se citar como clássicas, a análise de corrente 
elétrica e análise de vibrações Brito (2002), Henao et al. (2003), Lamim Filho (2007). 
Entretanto, existe um grande número de dificuldades associadas com estas técnicas e, 
consequentemente, com suas aplicações práticas. Segundo Baccarini (2005), as falhas em 
motores elétricos estão relacionadas a problemas nos rolamentos, curto circuito entre espiras 
do estator e barras quebradas. Sendo que as falhas nos rolamentos estão relacionadas a 
aproximadamente dois quintos de todas as falhas. O curto-circuito entre espiras estão 
relacionados a um terço de todas as falhas. Barras quebradas e falhas no anel correspondem a 
aproximadamente 10% das falhas nos motores de indução, Lamim Filho (2011). 
O processo de degradação da isolação dos motores de indução trifásicos podem ser 
acelerados se o motor operar em ambientes agressivos, tornando o motor ainda mais 
susceptível a falhas incipientes Boothman et al. (1974), Cambrias (1988), LaForte e McCoy 
(1988), Schump (1989), Maier (1989), Tavner e Penman (1989), Mitchell (1993), Gupta et al. 
(1993), Mishra (1999), Riley et al.(1999), Benbouzid et al. (2003). 
Se os defeitos incipientes ou a deterioração gradual não forem detectados, poderão 
provocar a quebra do motor causando prejuízos e transtornos. 
Várias falhas podem ser evitadas se a aplicação, condição de trabalho e origem das falhas 
forem compreendidos, Lamim Filho (2011). 
Este trabalho propõe a detecção e diagnóstico das falhas de curto circuito entre espiras e 
desequilíbrio de fase através das técnicas de fluxo magnético e análise de vibração, sendo que 
estas falhas representam grande parte das falhas elétricas que ocorrem nos motores Lamim 
Filho (2007). 
Para um melhor entendimento da relação falha/sinal, vários testes experimentais foram 
realizados no Laboratório de Controle e Vibrações da UNICAMP (Universidade Estadual de 
Campinas). Uma bancada de testes foi montada, onde sua robustez garantiu a repetibilidade 
dos testes (curto-circuito entre espiras do estator e desequilíbrio de fase) sob as mesmas 
condições. 
 
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Os resultados experimentais comprovaram a eficiência da junção das técnicas de detecção 
e possibilitou a distinção entre as análises de curto circuito e desbalanceamento de tensão. 
 
2. CONSIDERAÇÕES GERAIS 
 
2.1 Considerações Gerais Sobre Falhas no Estator da Máquina 
 
 
Os fatores que afetam o comportamento do motor podem ser agrupados em problemas de 
origem magnética ou elétrica e problemas de origem mecânica. Devido à importância do 
entendimento das fontes de perturbações para o diagnóstico de falhas, vários trabalhos têm 
sido realizados no intuito de identificar as possíveis freqüências características, Baccarini 
(2005), Lamim Filho (2007), Lamim Filho (2011). 
Na presença de anomalias no estator da máquina elétrica, irão existir ondas de FMMs e 
densidades de fluxo magnético em todos os números de pares de polos e em ambas as 
direções de rotação do campo girante, sendo que uma destas ondas terá o mesmo número de 
pares de polos da densidade de fluxo principal do motor, porém em direção contrária a 
rotação Gupta e Culbert (1993). 
Como estas ondas possuem as mesmas frequências relacionadas com as ranhuras do rotor, 
Equação 1, não farão com que novas frequências surjam nos espectros de vibração e fluxo 
magnético. Porém é esperado, apenas, variações nas amplitudes das frequências relacionadas 
com as ranhuras do rotor, quando da ocorrência de um defeito elétrico Gupta e Culbert (1993). 
 
(1 ± n(1 - s)/p)f1 (1) 
 
Sendo:  = 1, 2, 3. . .. ; n é o número de ranhuras no estator ou barras do rotor; s é o 
escorregamento, p é o número de pares de polos e f1 é a frequência da rede de alimentação. 
Estas componentes de freqüências em (1 ± n(1 - s)/p)f1, podem, também, ser excitadas 
pelo desequilíbrio de fase, tendo-se que identificar quais freqüências serão mais sensíveis a 
um ou outro defeito para que se possa chegar a um diagnóstico correto em relação à falha que 
compromete o funcionamento do motor. 
2.2 Bancada Experimental 
 
Na Fig. 1 tem-se uma vista geral da bancada experimental. 
 
 
 
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Figura 1. Bancada Experimental. 
 
A bancada experimental foi montada no Laboratório de Vibrações e Projetos Mecânicos 
do Departamento de Projeto Mecânico da FEM-UNICAMP. 
Os defeitos foram introduzidos num motor de indução trifásico {1}, WEG (FH 88747), 
rotor gaiola, 5 CV, 1730 rpm, 220 V, 60 Hz, 4 pólos, categoria N, 44 barras, 36 ranhuras, 
rolamento SKF 6205-2Z, ID–1, carcaça 100L, classe de isolamento B, FS 1,15, Ip/In 7,5, IP 
55, 13,8 A, gentilmente cedido pela WEG Motores. 
Um gerador CC {4} alimentando um banco de resistência é utilizado como sistema de 
carga. Variando-se a corrente de excitação do campo do gerador CC, consegue-se, 
consequentemente, variação da carga do motor. 
O gerador está acoplado ao motor elétrico através de acoplamentos flexíveis {2} e um 
torquímetro da S. Himmelstein and Company, modelo MCRT 9-02T, 0-7500 rpm, bi 
direcional e torque máximo de 1000 LB-IN {3} que serviu para garantir a mesma condição de 
funcionamento em todos os testes realizados. 
Para simular uma baixa isolação, entre espiras de uma mesma fase, foram extraídas quatro 
derivações em uma bobina. Essas derivações foram dispostas externamente e ligadas em série 
(duas de cada vez) com um banco de resistência, de 1 , 100 Watts (cada uma) conectadas 
em paralelo e que são adicionadas ao circuito por meio de um grupo de disjuntores para que 
se controle a intensidade da corrente de curto em aproximadamente 10 A, mantendo-se 
sempre a carga nominal do motor. 
Cada bobina é constituída por 26 espiras com bitola do fio igual a 16 AWG. Como cada 
fase é formada por 6 bobinas, tem-se o total de 156 espiras por fase. 
Portanto, a configuração permite analisar baixa isolação (curto-circuito) entre, no mínimo, 
duas espiras e, no máximo, 10 espiras para a fase A, correspondendo aos percentuais de 1,2% 
(2/156) e 6, 4% (10/156) de baixa isolação. 
A excitação por desequilíbrio de fase foi obtida inserindo-se uma resistência variável em 
série com uma das fases de alimentação do motor elétrico. 
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2.3 Resultados Experimentais 
 
Foram coletados 120 espectros de fluxo magnético e vibração numa série de 10 testes para 
cada excitação (sem defeito, curto-circuito de 2 espiras, curto-circuito de 4 espiras, curto-
circuito de 6 espiras, curto-circuito de 10 espiras, desequilíbrio de fase) e repetidos 
aleatoriamente sobre as mesmas condições de carga. 
Para aquisição dos dados, usou-se a placa NI-6251 da National Instruments. Essa possui 
16 canais analógicos de entrada que podem amostrar em até 200 kHz e 2 contadores digitais 
de 24 bits cada. As entradas analógicas possuem resolução de 16 bits. Os sinais de tensão das 
bobinas implementadas foram submetidos a um filtro anti-aliasing com freqüência de corte de 
2 kHz. 
Para a implementação do algoritmo de aquisição de dados, e diagnóstico de falhas foi 
usado o software Matlab. 
Segundo Baccarini (2005), pode existir um tempo de operação do motor antes que o curto 
entre espiras evolua para curto-circuito entre fase-terra e fase-fase, o que justifica o 
desenvolvimento de sistemas de detecção de falhas. 
A presença de uma anormalidade no circuito do rotor e ou no circuito do estator irá 
proporcionar um distúrbio na densidade de fluxo magnético que atravessa o entre ferro da 
máquina, causando uma modificação no espectro de referência e que podem ser identificadas 
através da análise das componentes de freqüências em: (1 ± n(1 - s)/p)f1. Na Fig. 2, tem-se o 
espectro de fluxo magnético e de vibração para o motor funcionando com 100 % de carga na 
condição sem defeito. 
 
 
(a) 
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Frequency (Hz)
Am
pli
tud
e (d
B)
420 Hz 
660 Hz 900 Hz 
1332 Hz 
1212 Hz 
 
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(b) 
 
Figura 2. Espectro sem defeito e motor funcionando com velocidade nominal e 100% de 
carga: (a) fluxo magnético e (b) análise de vibração. 
 
Na Fig. 3, tem-se o espectro de fluxo magnético e de vibração para o motor funcionando 
com 100 % de carga e dez espiras curto-circuitadas. 
 
 
(a) 
 
(b) 
Figura 3. Espectro com dez espiras curto circuitadas e motor funcionando com velocidade 
nominal e 100% de carga: (a) fluxo magnético e (b) análise de vibração. 
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Frequency (Hz)
Am
plit
ud
e (g
)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Frequency (Hz)
Am
pli
tud
e (d
B)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Frequency (Hz)
Am
plit
ude
 (g)
1260 Hz 
120 Hz 
1332 Hz 
1212 Hz 
900 Hz 
660 Hz 420 Hz 
1260 Hz 
120 Hz 
 
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Na Fig. 4, tem-se o espectro de fluxo magnético e de vibração para o motor funcionando 
com 100 % de carga e desbalanceamento de tensão (Vab = 210 V, Vbc = 210 V e Vca = 220 
V). 
 
(a) 
 
(b) 
Figura 4. Espectro com desbalanceamento de tensão, motor funcionando com velocidade 
nominal e 100% de carga: (a) fluxo magnético e (b) análise de vibração. 
 
Nos espectros de fluxo magnético das figuras acima, pode-se observar claramente os 
harmônicos dependentes da freqüência de alimentação, f1 = 60Hz, (420, 660, 900, 1140 e 
1260 Hz). Pode-se observar também os harmônicos principais da frequência de passagem de 
ranhura (1 ± n (1 - s)/p)f1, para  = 1, n = 44, s = 0,36, p = 2 e f1 = 60 (1212,48 e 1332,48 
Hz). 
Diante das frequências características do motor elétrico: frequência de passagem de 
ranhuras (1 ± n(1 - s)/p)f1 e harmônicos da frequência de linha 1xf1, 2x f1, 3x f1, .... , foi 
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Frequency (Hz)
Am
pli
tud
e (d
B)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Frequency (Hz)
Am
plit
ude
 (g)
1332 Hz 
1212 Hz 
900 Hz 
660 Hz 
420 Hz 
1260 Hz 
120 Hz 
 
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Anais do XII CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial| 8realizado um estudo extremamente minucioso para a identificação das principais frequências 
que são excitadas pelo curto circuito e desequilíbrio de fase. 
Após a comparação de mais de 100 espectros de vibração, pôde-se verificar que os 
harmônicos 2º e 21º da rede de alimentação foram os mais excitados pela inserção do curto 
circuito e desequilíbrio de fases. Sendo assim, esses harmônicos serão considerados até o final 
do texto como sendo frequências características de falha. 
Comparando-se os dois espectros das Figuras 2, 3 e 4, torna-se extremamente difícil a 
visualização das componentes de frequência de passagem de ranhuras que mais foram 
excitadas pelas falhas de curto circuito e desequilíbrio de fase. 
Diante de tal dificuldade, este trabalho propõe que se aplique a técnica do envelope, que é 
muito utilizada na detecção de falhas em rolamentos, para a visualização das componentes das 
frequências de passagem de ranhura que mais são excitadas pelas falhas elétricas introduzidas. 
Dessa forma, após a aplicação da técnica do envelope na faixa de frequência de 700 a 
2000 Hz, para a análise de fluxo magnético e na faixa de frequência de 1000 a 1500 para 
análise de vibrações, obteve-se um espectro de fluxo e vibração em baixa frequência em que 
as componentes de frequência de passagem de ranhura e o 21 harmônico da frequência de 
linha se tornaram extremamente fáceis de serem visualizadas e comparadas umas com as 
outras. 
Nas Figuras 5 e 6, tem-se o espectro de fluxo magnético e vibração (sem falha e com dez 
espiras curto circuitadas), respectivamente, após a aplicação da técnica do envelope, para o 
motor funcionando com 100 % de carga. 
 
 
(a) 
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
40
60
80
100
120
140
Frequency (Hz)
Am
plit
ude
 (dB
)
120 Hz 240 Hz 
360 Hz 
480 Hz 
 
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(b) 
Figura 5. Espectro de envelope sem defeito e motor funcionando com velocidade nominal e 
100% de carga: (a) fluxo magnético e (b) análise de vibração. 
 
 
 
(a) 
 
(b) 
 
Figura 6. Espectro de envelope com dez espiras curto circuitadas e motor funcionando com 
velocidade nominal e 100% de carga: (a) fluxo magnético e (b) análise de vibração. 
 
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Frequency (Hz)
Am
plit
ude
 (g)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
40
60
80
100
120
140
Frequency (Hz)
Am
plit
ude
 (dB
)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Frequency (Hz)
Am
pli
tud
e (g
)
120 Hz 
240 Hz 
360 Hz 480 Hz 
120 Hz 
120 Hz 
 
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Nos espectros de fluxo magnético das figuras acima, pode-se observar claramente a 
demodulação das componentes de frequências de passagem de ranhura (120, 240, 360 e 480 
Hz). Após a comparação de mais de 100 espectros de fluxo magnético, pôde-se verificar que 
as componentes de frequências demoduladas em 360 e 480 Hz foram as mais excitadas pela 
inserção do curto circuito e desequilíbrio de fases. Sendo assim, esses harmônicos serão 
considerados como sendo frequências características para identificação do curto circuito e 
desequilíbrio de fase e serão referenciados como sendo 6º harmônico demodulado e 8º 
harmônico demodulado. 
Na Figura 7, têm-se o gráfico de tendência para análise de fluxo magnético e vibração, 
respectivamente, da média das amplitudes das frequências características dos dez testes 
realizados nas situações sem defeito, curto circuito de 2 espiras, curto circuito de 4 espiras, 
curto circuito de 6 espiras, curto circuito de 10 espiras e desequilíbrio de fase para o motor 
funcionando com 100% de carga. 
 
 
(a) 
 
(b) 
 
Figura 7. Gráfico de tendência para as falhas introduzidas: (a) análise de fluxo magnético e 
(b) análise de vibração. 
 
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3. CONCLUSÕES 
 
Neste trabalho foi discutido a junção das técnicas de análise de fluxo magnético e vibração 
para o diagnóstico de problemas de origem elétrica (curto-circuito entre espiras e 
desbalanceamento de tensão) em motores de indução trifásicos, bem como a condição normal 
de funcionamento (assinatura do motor). 
Pôde-se observar, através dos espectros de fluxo magnético e vibração, que todos os testes 
realizados tiveram uma boa repetibilidade e que não observou-se alterações de origem 
mecânica que interferisse nos espectros de fluxo magnético e vibração, garantindo uma 
perfeita análise dos resultados. 
Para a falha de curto circuito, pôde-se observar que a mesma pode ser acompanhada 
gradualmente desde níveis mais baixos que representam apenas uma baixa isolação até níveis 
mais altos e que podem ser considerados altamente prejudiciais ao bom funcionamento da 
máquina. 
Uma das contribuições mais significativa deste trabalho é o relacionamento dos sinais de 
fluxo magnético e vibração relacionados com dois dos principais defeitos de origem elétrica 
(curto circuito e desequilíbrio de fase) e suas respectivas frequências características. 
Os resultados experimentais comprovaram a eficiência do diagnóstico através do 
cruzamento destas duas técnicas, podendo ser usado, futuramente, em Programas de 
Manutenção Preditiva. 
 
4. REFERÊNCIAS 
 
 
Baccarini, L. M. R., 2005, "Detection and diagnose faults in induction motors", Ph.D. thesis, 
Belo Horizonte, Faculdade de Engenharia Elétrica, Departamento de Engenharia Elétrica, 
Universidade Federal de Minas Gerais. 
Benbouzid, M. E. H. e Kliman, G. B., 2003, "What stator current processing-based technique 
to use for induction motor rotor faults diagnosis", IEEE Transaction on Energy 
Conversion 18 (2) 10781084. 
Boothman, D. R., Elgar, E. C., Rehder, R. H., Woodall, R. J., 1974, "Thermal tracking - A 
rational approach to motor protection", IEEE Transaction on Power Apparatus and 
Systems, Sept./Oct., pp. 1335-1344. 
Brito, J. N., 2002, "Desenvolvimento de um sistema inteligente híbrido para diagnóstico de 
falhas em motores de indução trifásicos", Campinas: Universidade Estadual de Campinas, 
214p. Tese (Doutorado). 
Cambrias, S., Rittenhouse, S. A., 1988, "Generic guidelines for the life extension of plant 
electrical equipment", EPRI - Electric Power Research Institute. 
 
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Gupta, B. Y. e Culbert, I. M., 1993, "Assessment of insulation condition inrotating machine 
stators", IEEE Transaction on Energy Conversion 7 (3) 500505. 
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