軸向氣隙非對(duì)稱故障對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩特性的影響

DOI：10.3969/j.issn.10001565.2025.01.001

摘" 要：氣隙偏心是發(fā)電機(jī)中常見的一種機(jī)械故障，氣隙偏心下不同運(yùn)行參數(shù)將對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁特性造成影響.已有研究主要關(guān)注軸向氣隙均勻偏心對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響，較少關(guān)注軸向氣隙非均勻偏心（傾斜偏心）所造成的影響.作為補(bǔ)充，該文全面分析了傾斜偏心下關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)差異對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)特性的影響.其中，關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)主要包括傾斜偏心程度及發(fā)電機(jī)負(fù)載差異.整體工作以一臺(tái)5 kVA的故障模擬發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析和有限元分析得到的結(jié)果.結(jié)果表明：傾斜偏心會(huì)為電磁轉(zhuǎn)矩帶來額外的二倍頻成分，且隨著傾斜偏心角度的增大，電磁轉(zhuǎn)矩的直流分量和二倍頻成分都增大；隨著負(fù)載的增加，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)程度加劇，且直流分量和二倍頻成分也將增大.

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；負(fù)載差異；氣隙非對(duì)稱；電磁轉(zhuǎn)矩

中圖分類號(hào)：TM311""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：10001565（2025）01000109

Effect of axial air gap asymmetric fault on the characteristic of electromagnetic torque in generators

HE Yuling1，2， FU Zixiang1， DAI Derui1， BAI Honghua3， HUANG Weiling3

（1. Department of Mechanical Engineering，" North China Electric Power University， Baoding 071003， China; 2. Suzhou Research Institute， North China Electric Power University， Suzhou 215123， China;

3. Zhejiang Zhenxing A Xiang Group Co.， Ltd.， Huzhou 313000， China）

Abstract： Air gap eccentricity is a common mechanical fault in generators， the different operating parameters under air gap eccentricity will have an impact on the electromagnetic characteristics of generators. Previous researches mainly focused on the influence of axial air gap uniform eccentricity on the electromagnetic torque fluctuation characteristic. However， rare studies have considered the effects of variations in the axial air gap non-uniform eccentricity （inclination eccentricity）. As a supplement， this paper comprehensively analyzes the effect of key operating parameters on electromagnetic torque characteristic in

收稿日期：20240329;修回日期：20240507

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52177042）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2022502003；E2021502038）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2023MS128）；河北省第三批青年拔尖人才支持計(jì)劃（［2018］-27）；河北省高層次人才項(xiàng)目（B20231006）；蘇州市社會(huì)發(fā)展科技創(chuàng)新項(xiàng)目（SS202134）；河北省研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)項(xiàng)目（CXZZBS2023149）；南太湖精英計(jì)劃創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

第一作者：何玉靈 （1982—），男，華北電力大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事電站設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)及其故障診斷. E-mail：heyuling1@163.com

通信作者：付滋翔 （2000—），男，華北電力大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事發(fā)電機(jī)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)及其故障診斷. E-mail：fuzixiang2023@163.com

generator under inclination eccentricity. The key operating parameters include the degree of inclination eccentricity and generation load differences. The whole work was carried out on a 5 kVA fault simulated generator and the results obtained from the theoretical and finite element analysis were verified through experiments. It is shown that the inclined eccentricity introduces an extra double frequency component to the electromagnetic torque and that both the DC component and the second frequency component of the electromagnetic torque increase as the eccentricity angle grow. In addition， as the load increases， the fluctuating characteristics of the generators electromagnetic torque will be increased， and both the DC component and the 2nd harmonic will be increased as well.

Key words： generator; load differences; air gap asymmetric; electromagnetic torque

在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙長(zhǎng)度很難長(zhǎng)時(shí)間保持均勻，這將導(dǎo)致氣隙偏心故障［1-2］.一般來說，傳統(tǒng)的氣隙偏心都是氣隙一側(cè)較大，另一側(cè)較小，氣隙沿發(fā)電機(jī)軸向均勻分布.然而，實(shí)際運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子的中心軸也會(huì)發(fā)生傾斜，導(dǎo)致氣隙沿軸向非均勻分布，這就是所謂的軸向氣隙非對(duì)稱（傾斜偏心）故障［3］.

由于制造誤差［4］和軸承磨損［5］的存在，導(dǎo)致氣隙偏心故障一旦發(fā)生將持續(xù)加劇，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行.更嚴(yán)重的是，定子形變和振動(dòng)［6］會(huì)隨著氣隙偏心程度的發(fā)展而增加，甚至?xí)茐亩ㄗ永@組的絕緣［7］.當(dāng)氣隙傾斜角達(dá)到10%時(shí)［8］，必須對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行維修，以避免故障的進(jìn)一步惡化.

目前，學(xué)者們對(duì)氣隙偏心故障的研究主要關(guān)注徑向氣隙偏心.例如，文獻(xiàn)［9］研究了徑向氣隙偏心對(duì)轉(zhuǎn)子電流基頻的影響.文獻(xiàn)［10］證明了徑向氣隙偏心將加劇電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并增加其諧波幅值.此外，氣隙偏心使電磁力和一些線圈的振動(dòng)幅度顯著增加［11］.氣隙偏心不僅會(huì)增大氣隙磁通密度［12］，還會(huì)增加定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯損耗［13-14］.

隨著發(fā)電機(jī)在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行，軸向氣隙非對(duì)稱（傾斜偏心）故障時(shí)有發(fā)生.1992年，Akiyama等［15］發(fā)現(xiàn)氣隙會(huì)沿軸向不均勻分布，并提出了傾斜偏心的概念.Ojaghi等［16］提出了一個(gè)修正的二維繞組函數(shù)理論，可用于分析傾斜偏心故障以及健康狀態(tài)下的電機(jī)性能.Dorrell等［17］計(jì)算了在傾斜偏心故障下的轉(zhuǎn)子不平衡磁拉力，并通過十對(duì)極和四對(duì)極電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.傳統(tǒng)偏心故障利用定轉(zhuǎn)子振動(dòng)進(jìn)行診斷，易受到軸承及基座振動(dòng)產(chǎn)生的影響［18］.一方面，定轉(zhuǎn)子振動(dòng)所受外部影響較大［19-20］，另一方面，現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)于電磁轉(zhuǎn)矩特性的研究主要關(guān)注于正常工況［21］以及單一徑向偏心故障［22］，目前鮮有文獻(xiàn)研究?jī)A斜偏心故障下轉(zhuǎn)子傾斜角度以及不同負(fù)載狀況對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩特性的影響.同時(shí)，已有文獻(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)故障的智能檢測(cè)方法進(jìn)行了廣泛研究：文獻(xiàn)［23-25］通過機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)處理采集信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障的在線檢測(cè)與診斷；文獻(xiàn)［26-28］介紹了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)在各領(lǐng)域智能故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用，為基于故障特征的發(fā)電機(jī)診斷方法提供了新的思路和參考.綜上所述，研究?jī)A斜偏心故障下的電磁轉(zhuǎn)矩頻率特征將為發(fā)電機(jī)故障診斷提供新的依據(jù).

作為對(duì)現(xiàn)有成果的補(bǔ)充，本文通過理論分析、有限元計(jì)算和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)發(fā)電機(jī)傾斜偏心故障下電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)特征進(jìn)行研究，分析結(jié)果可為大型火力發(fā)電機(jī)機(jī)組狀態(tài)評(píng)估、故障診斷及關(guān)鍵部件失效預(yù)防提供參考.

1" 理論分析

1.1" 氣隙磁通密度

單位面積氣隙磁導(dǎo)將受到徑向氣隙長(zhǎng)度的影響［13］，圖1為發(fā)電機(jī)的物理模型.從圖1a可知，在正常狀態(tài)下，徑向氣隙長(zhǎng)度均勻分布，圖1b為軸向氣隙非對(duì)稱故障下徑向氣隙長(zhǎng)度沿z軸方向發(fā)生變化.

圖1b所示，當(dāng)發(fā)生偏心時(shí)，徑向氣隙長(zhǎng)度沿z軸方向發(fā)生變化.偏心故障發(fā)生前后氣隙長(zhǎng)度為

g0δ=0，正常，

ztan θ，z∈［-L2，L2］，偏心， （1）

其中：g0是氣隙長(zhǎng)度；δ是相對(duì)偏心度；L是發(fā)電機(jī)的定子長(zhǎng)度.

受氣隙長(zhǎng)度的影響，轉(zhuǎn)子的最大傾斜角為

θmax=arctan（g0/zmax）=arctan（2g0/L），（2）

其中：zmax是偏心情況下z坐標(biāo)的最大值.

本文以定子軸向長(zhǎng)130 mm、氣隙長(zhǎng)1.2 mm的發(fā)電機(jī)為分析對(duì)象，偏心對(duì)應(yīng)的最大傾斜角為1.06°.當(dāng)傾斜角達(dá)到最大時(shí)，轉(zhuǎn)子和定子接觸，將對(duì)發(fā)電機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害.文獻(xiàn)［8］指出發(fā)電機(jī)的最大偏心不能超過10%.因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子傾斜角達(dá)到最大值的10%時(shí)，必須對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行維修，以避免故障進(jìn)一步惡化.

偏心情況下的單位面積氣隙磁導(dǎo)通過冪級(jí)數(shù)展開得到，忽略高次諧波，

Λ（αm，z，θ）=μ0/g0=Λ0，正常，

μ0/（g0-ztan θcos αm）=Λ0［1+ztan θg0cos αm+z2tan2θg20cos2αm］≈

Λ0［1+ztan θg0cos αm+z2tan2θ2g20（1+cos 2αm）］，偏心，（3）

其中：Λ0是定值；μ0是空氣磁導(dǎo)率；αm是氣隙圓周位置的機(jī)械角；z是徑向部分在三維直角坐標(biāo)系中的z坐標(biāo)值；θ是轉(zhuǎn)子的傾斜角.

電機(jī)負(fù)載同樣會(huì)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)特性產(chǎn)生影響.半載和滿載運(yùn)行狀態(tài)下氣隙磁勢(shì)變化如圖2所示.本文中，F(xiàn)δr和Fr分別為正常/偏心半載和正常/偏心滿載下的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)，F(xiàn)δs和Fs分別為正常/偏心半載和正常/偏心滿載下的定子磁動(dòng)勢(shì)，F(xiàn)δc和Fc是正常/偏心半載和正常/偏心滿載下的氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)，γ3和γ1是正常/偏心半載和正常/偏心滿載下的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)夾角.

發(fā)電機(jī)在正常/偏心半載和正常/偏心滿載運(yùn)行狀態(tài)下氣隙合成磁勢(shì)表達(dá)式為

f（αm，t）=Fδccos（ωt-pαm-γ3），正常/偏心半載，

Fccos（ωt-pαm-γ1），正常/偏心滿載，（4）

其中

Fδc=（Fδr-Fδssin ψ）2+F2δscos2ψ

，

Fc=（Fr-Fssin ψ）2+F2scos2ψ .

（5）

由于負(fù)載的增加會(huì)加重電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降，為了維持發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，勵(lì)磁電流將會(huì)增加，因此轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)將隨著負(fù)載的增加而增加.綜上可得發(fā)電機(jī)在半載、滿載運(yùn)行狀態(tài)下氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)大小關(guān)系為Fδclt;Fc.此外，還可根據(jù)式（4）得出極對(duì)數(shù)p對(duì)復(fù)合氣隙磁勢(shì)的影響，如圖3所示.

氣隙磁通密度可以通過氣隙磁勢(shì)與單位面積氣隙磁導(dǎo)得到，表示為

B（αm，z，θ，t）=f（αm，t）Λ（αm，z，θ）=

FδcΛ0cos（ωt-pαm-γ3），正常半載，

FcΛ0cos（ωt-pαm-γ1），正常滿載，

FδcΛ0［1+ztan θ/（g0cos αm）+z2tan2θ/2g20（1+cos 2αm）］×

cos（ωt-pαm-γ3），偏心半載，

FcΛ0［1+ztan θ/（g0cos αm）+z2tan2θ/2g20（1+cos 2αm）］×

cos（ωt-pαm-γ1），偏心滿載.

（6）

由式（6）可知，在偏心故障下，轉(zhuǎn)子傾斜角θ越大，氣隙磁通密度幅值越大.此外無論是正常還是偏心情況下，滿載下的氣隙磁通密度幅值均大于半載下的幅值.

1.2" 電磁轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩通過基于氣隙磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換得到.忽略損耗，氣隙磁場(chǎng)能量可表示為

W=∫v［B（αm，z，θ，t）］22μ0dv=L2∫2π0［f（αm，t）］2Λ（αm，z，θ）R（αm，z，θ）dαm，（7）

其中：v是作用于轉(zhuǎn)子的有效體積，參與氣隙內(nèi)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換.

將式（4）、式（6）代入式（7）可得電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

Te=p（W/ψ）=

-LπΛ0R0FδrFδscos ψ，正常半載，

-LπΛ0R0FrFscos ψ，正常滿載，

-LπΛ0（R0+R）FδrFδscos ψ-12LπΛ0RFδrFδ1cos（2ωt+δ），偏心半載，

-LπΛ0（R0+R）FrFscos ψ-12LπΛ0RFrF1cos（2ωt+1），偏心滿載，

（8）

其中

Fδ1=F2δs+F2δr-2FδsFδrsin ψ，tan δ=Fδssin ψ+Fδrcos 2ψFδscos ψ-Fδrsin 2ψ，

F1=F2s+F2r-2FsFrsin ψ，tan 1=Fssin ψ+Frcos 2ψFscos ψ-Frsin 2ψ，

R=z2tan2θ2g20［R0-（g0/2）］.

（9）

當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是一個(gè)與負(fù)載有關(guān)的直流分量（內(nèi)部功率角ψ取決于負(fù)載）.通過比較正常狀態(tài)下的半載和滿載直流分量，可以發(fā)現(xiàn)滿載狀態(tài)下的直流分量幅值較半載狀態(tài)下更大.此外，偏心故障還為電磁轉(zhuǎn)矩帶來了額外的二倍頻成分，通過比較正常與偏心故障下電磁轉(zhuǎn)矩各倍頻成分幅值可以得出，偏心故障的發(fā)生將使電磁轉(zhuǎn)矩的幅值增加.在偏心情況下，除了滿載狀態(tài)下的直流分量幅值大于半載狀態(tài)外，二倍頻成分也符合這個(gè)規(guī)律.同時(shí)，轉(zhuǎn)子傾斜角θ的大小也對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩有影響，傾斜角θ越大，偏心程度越嚴(yán)重，直流分量和二倍頻分量的幅值也越大.

2" 有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1" 有限元分析

如圖4a所示，以電力機(jī)械裝備先進(jìn)制造與智能運(yùn)維河北省工程研究中心的一臺(tái)額定功率5 kVA的CS-5型一對(duì)極故障模擬發(fā)電機(jī)組為有限元仿真研究對(duì)象，其額定功率因數(shù)為0.8，徑向氣隙長(zhǎng)1.2 mm，定子槽數(shù)36，定子鐵芯外徑與內(nèi)徑分別為250.5、145.0 mm，定子鐵芯長(zhǎng)130.0 mm，轉(zhuǎn)子槽數(shù)16，轉(zhuǎn)子鐵芯外徑與內(nèi)徑分別為142.6、40.0 mm，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min.

通過有限元建立的發(fā)電機(jī)三維全局物理模型如圖4a和圖4b所示.在有限元分析中，氣隙偏心故障通過軟件設(shè)置來完成.轉(zhuǎn)子以坐標(biāo)原點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心在xoz平面上旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的傾斜角θ分別設(shè)置為0.02°、0.04°和0.06°.

發(fā)電機(jī)負(fù)載差異的設(shè)置通過改變其外電路三相負(fù)載來實(shí)現(xiàn)，如圖4c所示.通過改變外電路三相負(fù)載值將定子電流調(diào)整為額定值來模擬滿載運(yùn)行狀態(tài)；同理，通過將定子電流大小調(diào)整為滿載時(shí)的1/2來模擬半載時(shí)運(yùn)行狀態(tài).

仿真設(shè)置將半載和滿載2組工況分為如下情況.

1） 正常半載、偏心0.02°半載、偏心0.04°半載、偏心0.06°半載；

2） 正常滿載、偏心0.02°滿載、偏心0.04°滿載、偏心0.06°滿載.

2.2" 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

CS-5型故障模擬發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)如圖5a所示.機(jī)組的左邊為故障模擬發(fā)電機(jī)，右邊為一個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在底部鋼板上.在發(fā)電機(jī)的前部和后部共設(shè)置了4個(gè)用于調(diào)節(jié)偏心的螺栓，如圖5c所示，其中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)螺栓分別對(duì)稱布置于機(jī)組兩側(cè).模擬傾斜偏心故障的具體設(shè)置：首先擰動(dòng)1號(hào)和2號(hào)螺栓沿著x軸負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，3號(hào)和4號(hào)螺栓沿著x軸正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)電機(jī)軸向上氣隙長(zhǎng)度分布不均，然后保持1號(hào)、2號(hào)螺栓在x軸負(fù)方向上和3號(hào)、4號(hào)螺栓在x軸正方向上移動(dòng)距離相等.此外，定子系統(tǒng)具體偏移量通過百分表來精確定位與控制.數(shù)據(jù)采集使用東華DH8303動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行信號(hào)采集、儲(chǔ)存、顯示和分析等，采樣頻率設(shè)置為5 kHz.

不同負(fù)載的具體設(shè)置方法如圖5b所示，通過分別設(shè)置A相、B相與C相負(fù)載的大小來模擬不同的運(yùn)行狀態(tài).模擬發(fā)電機(jī)半載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過閉合相應(yīng)的負(fù)載開關(guān)使三相均接入833 W的負(fù)載；在模擬發(fā)電機(jī)滿載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過閉合相應(yīng)的負(fù)載開關(guān)使三相均接入1 665 W的負(fù)載.

采集到的相電壓、相電流及測(cè)得的發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，通過折算可得電磁轉(zhuǎn)矩

Te（t）=P（t）ω（t）=［Ua（t）Ia（t）+Ub（t）Ib（t）+Uc（t）Ic（t）］cos φ2πn/60，（10）

其中：P（t）是發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)輸出功率；ω（t）是發(fā)電機(jī)的角速度；n是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Ua（t）、Ub（t）、Uc（t）是發(fā)電機(jī)的三相瞬時(shí)電壓；Ia（t）、Ib（t）、Ic（t）是發(fā)電機(jī)的三相瞬時(shí)電流.

2.3" 結(jié)果和討論

理論、仿真和實(shí)驗(yàn)中得到的電磁轉(zhuǎn)矩結(jié)果如圖6～10所示.圖6～8的分析結(jié)果表明，理論計(jì)算得到的電磁轉(zhuǎn)矩波形比有限元分析和實(shí)驗(yàn)得到的波形更加順暢.這是由于理論計(jì)算忽略了高階諧波，并且沒有考慮槽效應(yīng)等實(shí)際因素的影響，而實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)電機(jī)受外部環(huán)境的影響，故實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果得到的波形曲線更為復(fù)雜.同時(shí)，由于圖7中仿真時(shí)域從0時(shí)刻開始記錄，故存在轉(zhuǎn)速從0運(yùn)行至額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的過程，因此圖7時(shí)域開始部分有一段明顯的不穩(wěn)定區(qū)域，而后趨于穩(wěn)定.雖然電磁轉(zhuǎn)矩在理論、仿真和實(shí)驗(yàn)時(shí)的時(shí)域波形曲線形狀不完全相符，但總體來說3種方法所得的電磁轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)是一致的.

在偏心故障發(fā)生后，電磁轉(zhuǎn)矩的幅值增加.轉(zhuǎn)子傾斜角θ越大，電磁轉(zhuǎn)矩的幅值越大.除了偏心故障外，在發(fā)電機(jī)負(fù)載增大后，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩幅值也會(huì)增大，滿載工況下的電磁轉(zhuǎn)矩幅值約為半載工況下的2倍.

直流分量和二倍頻成分的增長(zhǎng)率如圖9和圖10所示.

圖9中，以正常情況下的直流分量幅值作為計(jì)算增量比例的參考.圖10中，由于正常條件下二次諧波的理論幅值為零，故選取偏心0.06°滿載情況下的幅值作為二倍頻增量比例的參考，因此圖10a中仿真得到的電磁轉(zhuǎn)矩二倍頻結(jié)果與理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有明顯差異.無論倍頻成分幅值如何變化，偏心0.06°滿載情況的增量比例都是100%.由圖9和圖10可知，無論發(fā)電機(jī)是在半載還是滿載工況下，電磁轉(zhuǎn)矩的直流分量和二倍頻分量都隨著偏心程度的增大而增大.圖6～10表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果、有限元分析結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致.

3" 結(jié)論

本文以CS-5故障模擬發(fā)電機(jī)為例，對(duì)偏心故障下的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了理論研究，隨后通過有限元計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)了該理論，為軸向氣隙非對(duì)稱故障下不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩特性的影響提供參考，得出的主要結(jié)論如下：

1）偏心故障發(fā)生后電磁轉(zhuǎn)矩頻率會(huì)新增二倍頻分量（100 Hz），且電磁轉(zhuǎn)矩幅值較正常情況下有所增加.

2）傾斜角θ的增大會(huì)增大故障下電磁轉(zhuǎn)矩的直流分量（0 Hz）和二倍頻分量（100 Hz）幅值.

3）滿載工況下的直流分量（0 Hz）和二倍頻分量（100 Hz）的幅值均大于半載工況下相應(yīng)頻率分量的幅值，且約是其幅值的2倍.

本文所得結(jié)論可用于對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中的氣隙偏心故障進(jìn)行診斷和預(yù)防.同時(shí)，也說明隨著軸向氣隙非對(duì)稱故障程度的增加，電磁轉(zhuǎn)矩幅值將會(huì)顯著提升，且滿載工況下的電磁轉(zhuǎn)矩幅值增大更明顯，這將影響發(fā)電機(jī)健康穩(wěn)定運(yùn)行.因此在實(shí)際工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)軸向氣隙非對(duì)稱故障的監(jiān)測(cè)，并采取相關(guān)措施進(jìn)行抑制.

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（責(zé)任編輯：王蘭英）