感應(yīng)電機(jī)氣隙偏心故障研究綜述及展望

張旭

【摘 要】 在各個(gè)行業(yè)中，感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用的比較廣泛，氣隙偏心是造成機(jī)械故障的主要原因，在感應(yīng)電機(jī)的故障中，對(duì)于氣隙偏心故障各國都有廣泛的研究，對(duì)其檢測方法以及多回路設(shè)計(jì)模型都有較深的研究，氣隙偏心的類型主要表現(xiàn)為靜態(tài)偏心、斜偏心、混合偏心、動(dòng)態(tài)偏心等。在本次研究中，主要針對(duì)檢測感應(yīng)電機(jī)偏心故障中存在的相關(guān)問題給予分析，并結(jié)合實(shí)際提出了更加具有實(shí)用性的感應(yīng)電機(jī)偏心模型。

【關(guān)鍵詞】 感應(yīng)電機(jī) 氣隙偏心 故障診斷 振動(dòng)

從結(jié)構(gòu)上來說，感應(yīng)電機(jī)比同步電機(jī)和直流電機(jī)更加簡單，主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為較低的制造成本、較高的運(yùn)行可靠性等，因此，在市場中應(yīng)用的比較廣泛，各個(gè)行業(yè)對(duì)其具有較大的需求量，比如有超過90%感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，60%左右的感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用于電網(wǎng)負(fù)載中。在各種較為大型機(jī)械中，比如水泵、破碎機(jī)、壓縮機(jī)等，都是靠大型的感應(yīng)電機(jī)來完成驅(qū)動(dòng)的，如果在工作中，感應(yīng)電機(jī)沒有較高的可靠性，經(jīng)常出現(xiàn)故障，將會(huì)給各個(gè)行業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，尤其在電網(wǎng)運(yùn)行中，一旦發(fā)生故障，將會(huì)造成重大事故的發(fā)生，嚴(yán)重威脅人們的生命安全。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)感應(yīng)電機(jī)的可靠運(yùn)行的要求越來越高。

1 感應(yīng)電機(jī)偏心故障的研究現(xiàn)狀

根據(jù)以往的研究資料顯示，在分析電機(jī)電流信號(hào)的基礎(chǔ)上，對(duì)偏心檢測方面具有較深的研究，如果感應(yīng)電機(jī)存在偏心故障，將會(huì)有一些頻率特定的電流分量存在于定子繞組中，經(jīng)過多方面的試驗(yàn)研究證實(shí)，找到了繞組函數(shù)法，為氣隙偏心的進(jìn)一步研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也提出了相應(yīng)的感應(yīng)電機(jī)多回路模型，在正弦電壓激勵(lì)基礎(chǔ)下，對(duì)無故障電機(jī)的啟動(dòng)性能給予仿真，取得了較好的應(yīng)用效果，在此模型的基礎(chǔ)下，對(duì)各種感應(yīng)電機(jī)故障進(jìn)行分析，比如定子繞組短路、定子繞組開路、轉(zhuǎn)子斷條、轉(zhuǎn)子斷端環(huán)等，得到了效果較好的故障特征。比如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電流等。在此模型中氣隙是均勻的，在電感的計(jì)算過程中，很容易體現(xiàn)氣隙偏心效果，在后來的研究中，是具有支持作用的理論依據(jù)。在研究過程中，多回路模型應(yīng)用的比較多，在電感矩陣的計(jì)算中，體現(xiàn)出靜態(tài)氣隙偏心，并使用氣隙長度增大的方法對(duì)鐵心磁壓降進(jìn)行考慮，事實(shí)驗(yàn)證，在電感計(jì)算中確實(shí)存在氣隙偏心現(xiàn)象，但是定子繞組間和轉(zhuǎn)子回路之間的互感與轉(zhuǎn)子回路和定子相繞組之間的互感是有區(qū)別的。隨后，對(duì)靜態(tài)偏心和無偏心情形下的空載啟動(dòng)性能之間的差異進(jìn)行比較，主要包括定子磁鏈曲線、轉(zhuǎn)子磁鏈曲線、轉(zhuǎn)速曲線、轉(zhuǎn)矩曲線、定子電流曲線、轉(zhuǎn)子電流曲線等，研究結(jié)果顯示，在感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行過程中，如果存在靜態(tài)偏心現(xiàn)象，將會(huì)延長電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。在感應(yīng)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)的情形下，如果轉(zhuǎn)子電流較大，將會(huì)使電機(jī)的穩(wěn)態(tài)升溫持續(xù)增加。

2 對(duì)不平衡磁拉力和振動(dòng)的相關(guān)分析

2.1 不平衡磁拉力的相關(guān)分析

在感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行中，引起不平衡磁拉力的原因比較多，比較常見的因素為電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，同時(shí)，繞組不當(dāng)和材料磁化不均勻也會(huì)引起不平衡磁拉力，在任何電機(jī)故障中，不平衡磁拉力現(xiàn)象都是值得關(guān)注的，重要的研究方向就是波動(dòng)情況超過兩倍電頻率和氣隙最小處，在感應(yīng)電機(jī)的相關(guān)計(jì)算中，由于必須對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行計(jì)算，因此，在計(jì)算不平衡磁拉力時(shí)比較困難。近年來，在此方面的研究也比較多，比如測量徑向力等。在簡化計(jì)算不平衡磁拉力時(shí)，也有相應(yīng)的計(jì)算模型，比如有限元模型、解析法模型等，線性磁路在解析法模型中應(yīng)用的比較多，各國學(xué)者在此方面都進(jìn)行了深入的研究，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)模型，比如飽和的非線性模型，在不平衡磁拉力的現(xiàn)實(shí)計(jì)算中，純靜態(tài)偏心與純動(dòng)態(tài)偏心是不符合實(shí)際研究的，當(dāng)感應(yīng)電機(jī)出現(xiàn)偏心故障時(shí)，可以使用數(shù)值方法對(duì)電磁力進(jìn)行計(jì)算，與測量值進(jìn)行比較，經(jīng)歷了相應(yīng)的線性和非線性過程。

2.2 振動(dòng)的相關(guān)分析

在電機(jī)運(yùn)行中，振動(dòng)現(xiàn)象的研究十分復(fù)雜，涉及的范圍比較廣，比如機(jī)械、電磁等。引起電機(jī)振動(dòng)的一系列聯(lián)動(dòng)因素綜合作用的結(jié)果，轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致不平衡磁拉力，不平衡磁拉力又引發(fā)電機(jī)振動(dòng)，追根揭底，還是由于轉(zhuǎn)子的偏心引起的，氣隙偏心的一個(gè)重要故障特征就是具有特定頻率的振動(dòng)信號(hào)。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)氣隙偏心進(jìn)行檢測時(shí)，不僅可以用電流信號(hào)分析法，還可以使用機(jī)殼的振動(dòng)信號(hào)給予檢測。在靜態(tài)偏心的識(shí)別中，可以對(duì)振動(dòng)主齒諧波的變化進(jìn)行觀察，可以通過是否存在特殊頻率分量來識(shí)別動(dòng)態(tài)偏心。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究顯示，結(jié)合低頻信號(hào)的觀測分析電流信號(hào)，可以對(duì)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)偏心的變化給予很好的觀察和判斷，如果出現(xiàn)兩端的偏心較大而平均偏心較小的情形時(shí)，分析和檢測電流信號(hào)是行不通的，在此情形下，可以檢測機(jī)殼特定頻率的振動(dòng)信號(hào)。通過進(jìn)一步的研究，有人提出對(duì)感應(yīng)電機(jī)的兩級(jí)進(jìn)行分析，出現(xiàn)的軸承座振動(dòng)和轉(zhuǎn)軸振動(dòng)情況，主要是由靜態(tài)偏心導(dǎo)致的，進(jìn)一步證明電磁力與轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)有關(guān)。

3 感應(yīng)電機(jī)偏心故障的研究展望

3.1 提出動(dòng)態(tài)弧偏心

在感應(yīng)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，氣隙偏心情況是比較復(fù)雜的，除了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)偏心外，還有不同程度的沿軸向偏心情況，即混合偏心，對(duì)于任何的偏心狀態(tài)，都有一個(gè)理想化的期望，如圖1所示，是一臺(tái)三相潛水感應(yīng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子相擦后定子鐵心內(nèi)圓等，從圖中可以看出，鐵心的中部偏后有一個(gè)相擦區(qū)域，只有在弧形轉(zhuǎn)子鐵心下，才能形成相擦區(qū)域，因此，在分析偏心故障時(shí)，可以建立一個(gè)動(dòng)態(tài)偏心模型，如圖2所示，表示此種偏心形式。在分析弧偏心時(shí)，也可以使用多回路模型，只要在矩陣的計(jì)算中引入弧形氣隙特征即可。電機(jī)氣隙模型的應(yīng)用，雖然簡化了偏心模型，但使研究結(jié)果的準(zhǔn)確性有所降低，因此，在今后的研究中，要不斷提升模型的精確度，更加準(zhǔn)確的對(duì)氣隙偏心進(jìn)行檢測和分析。

3.2 在較為復(fù)雜的情形下對(duì)偏心故障的診斷

對(duì)于多數(shù)大型感應(yīng)電機(jī)來說，工作環(huán)境都比較惡劣，需要拖動(dòng)較大的負(fù)載，在運(yùn)行過程中，很多因素都會(huì)對(duì)故障信息產(chǎn)生影響，比如負(fù)載擾動(dòng)、外界磁場、機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等。近年來，交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的比較快，在逆變器的開關(guān)過程中，頻率噪聲也會(huì)嚴(yán)重影響故障診斷系統(tǒng)，因此，與單個(gè)感應(yīng)電機(jī)相比，應(yīng)用于交流調(diào)速器系統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)要復(fù)雜的多。感應(yīng)電機(jī)除了氣隙偏心故障外，還有其他故障，比如定子繞組短路、轉(zhuǎn)子斷條等，如果在感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行過程中，多種故障同時(shí)存在，那么各種特征故障信號(hào)將會(huì)相互影響，使故障診斷的復(fù)雜性不斷增加，在今后的研究中，也值得深究。

3.3 監(jiān)測偏心故障的新技術(shù)

在對(duì)電機(jī)氣隙偏心進(jìn)行判斷時(shí)，經(jīng)常使用的方法為振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測、定子電流的分析等，但是這些監(jiān)測方法，具有較弱的抗信號(hào)干擾能力，可靠性比較低，在實(shí)際監(jiān)測中，最為理想的方法就是對(duì)氣隙偏心度進(jìn)行測量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，有越來越多的方法應(yīng)用于電機(jī)故障的診斷中，通過結(jié)合多種先進(jìn)技術(shù)，使氣隙偏心的監(jiān)測更加有效和準(zhǔn)確，在偏心檢測技術(shù)的發(fā)展中，這也是主要的發(fā)展方向。

3.4 對(duì)偏心抑制策略的相關(guān)探索

對(duì)電機(jī)偏心故障給予研究，不只是為了在監(jiān)測和診斷上，更加具有準(zhǔn)確性和有效性，另一個(gè)重要的方面，對(duì)偏心故障的機(jī)理進(jìn)行深入研究，進(jìn)而從氣隙偏心的抑制方面進(jìn)行研究，不斷開發(fā)新的抑制技術(shù)，甚至是氣隙調(diào)節(jié)和控制技術(shù)等。

3.5 從理論出發(fā)，對(duì)不平衡磁拉力給予進(jìn)一步研究

產(chǎn)生不平衡磁拉力的機(jī)理相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)不平衡磁拉力給予準(zhǔn)確計(jì)算，是一個(gè)較為重要的研究內(nèi)容，但現(xiàn)階段，在不平衡磁拉力的計(jì)算方面，還沒有具有較強(qiáng)適用性和準(zhǔn)確性的計(jì)算表達(dá)式，因此，在未來的研究中，研究重點(diǎn)就是關(guān)于此方面的研究。同時(shí)，不同的不平衡磁拉力現(xiàn)象，具有不同的發(fā)生機(jī)理，在實(shí)際研究工作中，要根據(jù)不同的發(fā)生機(jī)理，采取適當(dāng)?shù)慕鉀Q措施，對(duì)不平衡磁拉力進(jìn)行消除或降低，進(jìn)而最大限度的降低感應(yīng)電機(jī)的噪聲和振動(dòng)情況，并通過對(duì)不平衡磁拉力的研究，找出相應(yīng)的方法，對(duì)氣隙偏心度的降低進(jìn)行探討，在將來的研究工作中，這也是一個(gè)主要的研究方向。

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)感應(yīng)電機(jī)氣隙偏心故障的分析，在此研究的基礎(chǔ)上，對(duì)氣隙偏心檢測技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測，并根據(jù)實(shí)際情況，提出了相應(yīng)的電機(jī)氣隙偏心模型，比如動(dòng)態(tài)弧偏心，并對(duì)大型感應(yīng)電機(jī)的氣隙偏心故障給予大膽合理的猜想，促進(jìn)了感應(yīng)電機(jī)氣隙偏心故障的進(jìn)一步研究。

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