基于端部漏磁分析的異步電機(jī)偏心故障檢測(cè)

孫 躍

(安徽皖南電機(jī)股份有限公司，安徽 涇縣 242500)

基于端部漏磁分析的異步電機(jī)偏心故障檢測(cè)

孫 躍

(安徽皖南電機(jī)股份有限公司，安徽 涇縣 242500)

在異步電機(jī)中，偏心是一種常見的故障類型，輕則電機(jī)性能下降，重則定轉(zhuǎn)子掃膛，電機(jī)停機(jī)。因此，以異步電機(jī)偏心故障為研究?jī)?nèi)容，提出了基于端部漏磁分析的檢測(cè)方法。首先利用磁 勢(shì)-磁導(dǎo)方法求出氣隙磁場(chǎng)；然后間接獲得端部漏磁分布特性，確定用于診斷偏心的特征諧波；最后通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。提出的方法為偏心檢測(cè)提供了一個(gè)新的選擇，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

異步電機(jī)； 偏心； 端部漏磁； 特征諧波

0 引 言

偏心故障是指電機(jī)定轉(zhuǎn)子間氣隙大小不均勻的一種現(xiàn)象。由于加工精度與裝配工藝的影響，即使剛出廠的電機(jī)也或多或少的存在偏心現(xiàn)象。當(dāng)偏心程度不超過(guò)10%時(shí)，該電機(jī)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)要求[1]。但是此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子受到不平衡磁拉力、重力、離心力等的作用，隨著電機(jī)工作時(shí)間的增長(zhǎng)，這些力的長(zhǎng)時(shí)間影響，導(dǎo)致軸承磨損、轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲。不平衡磁拉力進(jìn)一步增大，又反作用于轉(zhuǎn)子，它們以上述方式相互作用，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)的電機(jī)偏心程度已經(jīng)能夠影響生產(chǎn)過(guò)程。輕則電機(jī)性能下降，如鐵耗增加、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加劇，重則定轉(zhuǎn)子掃膛、電機(jī)停機(jī)、生產(chǎn)中斷。在異步電機(jī)所有故障中，機(jī)械故障占了50%～60%，而80%的機(jī)械故障都與偏心有關(guān)[2]。導(dǎo)致故障的原因有很多，文獻(xiàn)[3]已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹?；谏鲜隹芍?由于偏心無(wú)法避免且會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)巨大損失，因此及時(shí)地檢測(cè)出異步電機(jī)偏心故障至關(guān)重要。

為了研究的方便與實(shí)際觀察，通常將電機(jī)偏心分為兩類，如圖1所示。靜態(tài)偏心： 旋轉(zhuǎn)幾何軸線與轉(zhuǎn)子幾何軸線重合、與定子幾何軸線不重合；動(dòng)態(tài)偏心： 旋轉(zhuǎn)幾何軸線與定子幾何軸線重合、與轉(zhuǎn)子幾何軸線不重合。其他偏心類型是這兩種基本類型的組合。

圖1 幾種常見類型的偏心形式

關(guān)于偏心故障，目前很多學(xué)者已經(jīng)做了大量的工作且取得了較好的成果。通常將這些方法分為兩類： 侵入式與非侵入式檢測(cè)。Jaward Faiz總結(jié)了12種非侵入式檢測(cè)方法，如轉(zhuǎn)矩、定子電流高低頻成分等[4]。因?yàn)槎ㄗ与娏餍盘?hào)易于獲取，所以目前最常用的偏心檢測(cè)方法是基于定子電流特征頻率診斷技術(shù)[3-5]。但是研究顯示，該方法并不適用于所有異步電機(jī)，適用范圍受到繞組極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)配合的限制[6]。作為非侵入式檢測(cè)方式，機(jī)殼振動(dòng)信號(hào)也被應(yīng)用于診斷偏心故障中[3-6]。但是振動(dòng)信號(hào)易受干擾且對(duì)測(cè)量設(shè)備精度要求高，故檢測(cè)結(jié)果誤差大。電機(jī)的各種故障都會(huì)導(dǎo)致其磁場(chǎng)的變化，有關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在電機(jī)磁場(chǎng)中包含更多故障診斷信息[7-9]。D.H.Hwang提出利用電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)測(cè)量定子匝間短路故障[10]。也有學(xué)者利用磁場(chǎng)診斷偏心故障，Andrian Ceban提出將檢測(cè)線圈放置到氣隙最大與最小對(duì)應(yīng)的定子槽處以測(cè)量氣隙磁場(chǎng)[11]。但在實(shí)際操作中，并不能提前確定最大與最小氣隙位置。軸向磁通被用作診斷動(dòng)態(tài)偏心，但缺乏仿真與試驗(yàn)的支持[12]。武玉才利用端部漏磁特征頻率診斷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障取得了較好結(jié)果[13]。

針對(duì)上述各方法的缺陷，本文提出利用端部漏磁場(chǎng)診斷電機(jī)偏心故障技術(shù)。首先分析異步電機(jī)不同偏心類型下的磁場(chǎng)特性，確定相應(yīng)的漏磁場(chǎng)特征諧波；然后利用有限元法驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性。

1 理論分析

1.1 氣隙磁場(chǎng)分析

假設(shè)供電電源完全正弦，則由定子電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為

Fs(ω,φ)=Acos(kpφ±ωt)

(1)

式中：ω——基波角頻率；φ——在定子參考系中的角度位置；

A——磁動(dòng)勢(shì)幅值；

k——系數(shù)，k=1,-5,7,-11,13...；

p——定子繞組極對(duì)數(shù)。

同時(shí)包含靜態(tài)與動(dòng)態(tài)偏心成分的磁導(dǎo)表達(dá)式近似為

P≈l0+l1cosφ+l2cos(φ-ωrt)+

l3cosZ1φ+l4cosZ2(φ-ωrt)

(2)

ωr=ω(1-s)/p

(3)

式中：l0、l1、l2、l3、l4——?dú)庀镀骄L(zhǎng)度、靜態(tài)成分幅值、動(dòng)態(tài)成分幅值、定轉(zhuǎn)子開槽成分幅值；

ωr——轉(zhuǎn)子角頻率，其大小可通過(guò)式(3)計(jì)算獲得;

Z1、Z2——定轉(zhuǎn)子槽數(shù)。

式(1)與式(2)中靜態(tài)磁導(dǎo)成分相乘可得氣隙磁場(chǎng)：

AP1{cos[(kp-1)φ±ωt]+

cos[(kp+1)φ±ωt]}/2

(4)

式(4)表示的氣隙磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)條產(chǎn)生感應(yīng)電流。這些感應(yīng)電流又產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)。這部分轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與式(2)中動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)成分相乘可得氣隙磁場(chǎng)：

A1l1l2cos[kpφ-(ωr?ω)t-φ1]/4+

A1l1l2cos[(kp-2)φ-(ωr?ω)t-φ1]/4+

A2l1l2cos[(kp+2)φ+(ωr±ω)t-φ2]/4+

A2l1l2cos[kpφ+(ωr±ω)t-φ2]/4

(5)

由式(5)可知，由于混合偏心，氣隙磁場(chǎng)中出現(xiàn)了如式(6)所示的諧波頻率。已知當(dāng)氣隙磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)與定子磁動(dòng)勢(shì)極對(duì)數(shù)相同時(shí)，才會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以式(5)的第一與第四項(xiàng)將在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，也會(huì)產(chǎn)生如式(6)所示的諧波頻率。

flow=|f±fr|

(6)

無(wú)論如何，從上述分析可知，定子電流諧波僅是磁場(chǎng)一部分諧波在繞組中的體現(xiàn)，磁場(chǎng)中含有更豐富的諧波，且不受定子導(dǎo)條數(shù)與繞組極對(duì)數(shù)的限制。

根據(jù)上述計(jì)算過(guò)程可以得出： 相比于正常電機(jī)，不同偏心成分引起了氣隙磁場(chǎng)特征諧波。與定子電流特征頻率對(duì)比，可總結(jié)如表1所示。

表1 偏心引起的特征諧波

1.2 電機(jī)端部漏磁

圖2顯示了異步電機(jī)端部漏磁場(chǎng)分布情況： 一部分是由定子端部繞組電流產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)；另一部分由定子端部到轉(zhuǎn)子端部形成閉合回路的漏磁場(chǎng)。根據(jù)磁通連續(xù)原理，可知這些漏磁場(chǎng)中的諧波與氣隙磁場(chǎng)相同。因此，在電機(jī)端部漏磁場(chǎng)中，也存在用于診斷偏心的特征頻率諧波，與1.1節(jié)所述相同。

圖2 異步電機(jī)端部漏磁分布示意圖

2 仿真驗(yàn)證

本文以4對(duì)極，3kW，Y連接的籠型異步電機(jī)為研究對(duì)象，利用有限元方法分析其在不同偏心類型下端部漏磁特性。首先需要建立三維偏心模型，如圖3所示。如果全模型進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)行周期很長(zhǎng)，浪費(fèi)資源。為了縮短計(jì)算時(shí)間，本文利用Ansoft有限元軟件僅建立電機(jī)端部部分模型，通過(guò)移動(dòng)定轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)不同類型的偏心故障類型。在瞬態(tài)場(chǎng)下進(jìn)行運(yùn)算，通過(guò)后續(xù)操作即可獲得相應(yīng)的端部漏磁場(chǎng)。

圖3 Ansoft有限元模型

2.1 靜態(tài)偏心

圖4與圖5分別顯示了異步電機(jī)在正常與靜態(tài)偏心狀態(tài)下定子電流、端部漏磁場(chǎng)頻譜。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)在定子電流頻譜中，用于檢測(cè)靜態(tài)偏心的特征諧波(472Hz，572Hz)尖峰不明顯，并不易被觀察。在端部漏磁頻譜中，該特征諧波尖峰很突出，非常容易觀察，但在正常電機(jī)中也存在同樣的現(xiàn)象。綜上所述，無(wú)論是基于定子電流，還是端部漏磁特征諧波信號(hào)，都無(wú)法診斷靜態(tài)偏心。

圖4 正常狀態(tài)下信號(hào)頻譜圖

圖5 靜態(tài)偏心狀態(tài)下信號(hào)頻譜圖

2.2 動(dòng)態(tài)偏心

圖6顯示了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)R為44時(shí)，動(dòng)態(tài)偏心狀態(tài)下定子電流與端部漏磁頻譜。根據(jù)前人分析可知： 當(dāng)該結(jié)構(gòu)的樣機(jī)發(fā)生動(dòng)態(tài)偏心時(shí)，定子電流中將會(huì)產(chǎn)生特征諧波，與圖6所顯示的結(jié)果吻合。比較定子電流與端部漏磁頻譜圖可知，在電機(jī)端部漏磁頻譜中，用于檢測(cè)動(dòng)態(tài)偏心的特征諧波成分更豐富，與其他諧波相比，也更易區(qū)分，更易觀察。

圖6 R=44時(shí)動(dòng)態(tài)偏心狀態(tài)下信號(hào)頻譜圖

圖7顯示了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)R為43時(shí)，動(dòng)態(tài)偏心狀態(tài)下定子電流與端部漏磁頻譜。在端部漏磁頻譜中，相應(yīng)的用于診斷動(dòng)態(tài)偏心的特征諧波同樣存在，且易觀察。但在定子電流頻譜中，這些諧波并不存在。此時(shí)，基于定子電流特征諧波的檢測(cè)方法并不能用于診斷該結(jié)構(gòu)樣機(jī)，方法失效。

圖7 R=43時(shí)動(dòng)態(tài)偏心狀態(tài)下信號(hào)頻譜圖

綜上分析可知，基于端部漏磁特征諧波的檢測(cè)方法不僅可以用于診斷動(dòng)態(tài)偏心，而且不受電機(jī)結(jié)構(gòu)即定子繞組極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)配合的限制，與電流信號(hào)相比，其適用范圍廣。

2.3 混合偏心

圖8顯示了偏心狀態(tài)下定子電流與端部漏磁頻譜。在兩個(gè)頻譜圖中，特征諧波信號(hào)(37.5Hz，62.5Hz，460Hz，560Hz)相同，但在端部漏磁頻譜中，這些信號(hào)相對(duì)比較容易觀察。同時(shí)，頻率為484Hz，584Hz的諧波在定子電流頻譜中很難被區(qū)分出來(lái)。因此，基于端部漏磁特征諧波的檢測(cè)方法可以用于診斷混合偏心。比較圖6與圖8，電機(jī)處于動(dòng)態(tài)與混合偏心故障時(shí)，特征諧波相同，因此利用該方法不能區(qū)分這兩種偏心類型。無(wú)論如何，只要該方法能診斷電機(jī)發(fā)生偏心故障即可，同時(shí)也達(dá)到了本文的研究目的。

圖8 混合偏心狀態(tài)下信號(hào)頻譜圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文推導(dǎo)了異步電機(jī)在不同偏心狀態(tài)下氣隙磁場(chǎng)分布特性，進(jìn)而得出偏心故障在端部漏磁場(chǎng)中產(chǎn)生的新的諧波。通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證，得出結(jié)論如下：

(1) 基于端部漏磁信號(hào)偏心檢測(cè)方法不能用于診斷靜態(tài)偏心；

(2) 基于端部漏磁信號(hào)偏心檢測(cè)方法可以診斷動(dòng)態(tài)與混合偏心，但不能將它們區(qū)分；

(3) 基于端部漏磁信號(hào)偏心檢測(cè)方法的適用范圍廣，不受異步電機(jī)結(jié)構(gòu)限制。

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Eccentricity Fault Detection of Asynchronous Motors Based on End-Leakage-Flux Analysis

SUNYue

(Anhui Wannan Electric Machine Co., Ltd., Jingxian 242500, China)

Eccentricity was a common fault type in the asynchronous motor. It would deteriorate the performance of the motor. It even made the stator-rotor rub and the motor break down. Therefore, the research content was about the asynchronous motor’s eccentric fault and the detection method was proposed based on the end-leakage-flux analysis. Firstly, the air-gap magnetic field was calculated by the MMF and permeance wave approach. Then the end-leakage-flux was obtained and the corresponding characteristic harmonics for detecting eccentricity were defined. Finally, the accuracy of the theoretical analysis was verified by finite element simulation. The method provided a new choice for the eccentricity detection, which had a certain practical value.

asynchronous motor; eccentricity; end-leakage-flux; characteristic harmonics

孫 躍(1973—)，男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)本體設(shè)計(jì)及其控制技術(shù)。

TM 307+.3

A

1673-6540(2016)07-0081-05

2016-04-21