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感应电机气隙偏心故障研究综述及展望

2018-07-31

感应电机

    从结构上来说,感应电机比同步电机和直流电机更加简单,主要优点表现为较低的制造成本、较高的运行可靠性等,因此,在市场中应用的比较广泛,各个行业对其具有较大的需求量,比如有超过90%感应电机应用于电气传动系统,60%左右的感应电机应用于电网负载中。 

1、感应电机偏心故障的研究现状 

    根据以往的研究资料显示,在分析电机电流信号的基础上,对偏心检测方面具有较深的研究,如果感应电机存在偏心故障,将会有一些频率特定的电流分量存在于定子绕组中,经过多方面的试验研究证实,找到了绕组函数法,为气隙偏心的进一步研究打下了坚实的基础,也提出了相应的感应电机多回路模型,在正弦电压激励基础下,对无故障电机的启动性能给予仿真,取得了较好的应用效果,在此模型的基础下,对各种感应电机故障进行分析,比如定子绕组短路、定子绕组开路、转子断条、转子断端环等,得到了效果较好的故障特征。比如转速、转矩及电流等。在此模型中气隙是均匀的,在电感的计算过程中,很容易体现气隙偏心效果,在后来的研究中,是具有支持作用的理论依据。在研究过程中,多回路模型应用的比较多,在电感矩阵的计算中,体现出静态气隙偏心,并使用气隙长度增大的方法对铁心磁压降进行考虑,事实验证,在电感计算中确实存在气隙偏心现象,但是定子绕组间和转子回路之间的互感与转子回路和定子相绕组之间的互感是有区别的。随后,对静态偏心和无偏心情形下的空载启动性能之间的差异进行比较,主要包括定子磁链曲线、转子磁链曲线、转速曲线、转矩曲线、定子电流曲线、转子电流曲线等,研究结果显示,在感应电机运行过程中,如果存在静态偏心现象,将会延长电机的启动时间。在感应电机处于稳态的情形下,如果转子电流较大,将会使电机的稳态升温持续增加。 

2、对不平衡磁拉力和振动的相关分析 

2.1、不平衡磁拉力的相关分析 

    在感应电机运行中,引起不平衡磁拉力的原因比较多,比较常见的因素为电机的定子和转子出现偏心现象,同时,绕组不当和材料磁化不均匀也会引起不平衡磁拉力,在任何电机故障中,不平衡磁拉力现象都是值得关注的,重要的研究方向就是波动情况超过两倍电频率和气隙较小处,在感应电机的相关计算中,由于必须对转子电流进行计算,因此,在计算不平衡磁拉力时比较困难。 

2.2、振动的相关分析 

    在电机运行中,振动现象的研究十分复杂,涉及的范围比较广,比如机械、电磁等。引起电机振动的一系列联动因素综合作用的结果,转子偏心导致不平衡磁拉力,不平衡磁拉力又引发电机振动,追根揭底,还是由于转子的偏心引起的,气隙偏心的一个重要故障特征就是具有特定频率的振动信号。根据相关实验研究发现,在对气隙偏心进行检测时,不仅可以用电流信号分析法,还可以使用机壳的振动信号给予检测。在静态偏心的识别中,可以对振动主齿谐波的变化进行观察,可以通过是否存在特殊频率分量来识别动态偏心。根据相关学者研究显示,结合低频信号的观测分析电流信号,可以对动态、静态偏心的变化给予很好的观察和判断,如果出现两端的偏心较大而平均偏心较小的情形时,分析和检测电流信号是行不通的,在此情形下,可以检测机壳特定频率的振动信号。通过进一步的研究,有人提出对感应电机的两级进行分析,出现的轴承座振动和转轴振动情况,主要是由静态偏心导致的,进一步证明电磁力与转轴的振动有关。 

3、感应电机偏心故障的研究展望 

3.1、提出动态弧偏心 

    在感应电机的实际运行中,气隙偏心情况是比较复杂的,除了静态、动态偏心外,还有不同程度的沿轴向偏心情况,即混合偏心,对于任何的偏心状态,都有一个理想化的期望,是一台三相潜水感应电机定子和转子相擦后定子铁心内圆等,从图中可以看出,铁心的中部偏后有一个相擦区域,只有在弧形转子铁心下,才能形成相擦区域,因此,在分析偏心故障时,可以建立一个动态偏心模型,表示此种偏心形式。在分析弧偏心时,也可以使用多回路模型,只要在矩阵的计算中引入弧形气隙特征即可。电机气隙模型的应用,虽然简化了偏心模型,但使研究结果的准确性有所降低,因此,在今后的研究中,要不断提升模型的精确度,更加准确的对气隙偏心进行检测和分析。 

3.2、在较为复杂的情形下对偏心故障的诊断 

    对于多数大型感应电机来说,工作环境都比较恶劣,需要拖动较大的负载,在运行过程中,很多因素都会对故障信息产生影响,比如负载扰动、外界磁场、机械振动、温度变化等。近年来,交流调速技术发展的比较快,在逆变器的开关过程中,频率噪声也会严重影响故障诊断系统,因此,与单个感应电机相比,应用于交流调速器系统的感应电机要复杂的多。感应电机除了气隙偏心故障外,还有其他故障,比如定子绕组短路、转子断条等,如果在感应电机运行过程中,多种故障同时存在,那么各种特征故障信号将会相互影响,使故障诊断的复杂性不断增加,在今后的研究中,也值得深究。

3.3、监测偏心故障的新技术 

    在对电机气隙偏心进行判断时,经常使用的方法为振动信号的监测、定子电流的分析等,但是这些监测方法,具有较弱的抗信号干扰能力,可靠性比较低,在实际监测中,最为理想的方法就是对气隙偏心度进行测量。随着计算机技术和信息处理技术的不断发展,有越来越多的方法应用于电机故障的诊断中,通过结合多种先进技术,使气隙偏心的监测更加有效和准确,在偏心检测技术的发展中,这也是主要的发展方向。 

3.4、对偏心抑制策略的相关探索 

    对电机偏心故障给予研究,不只是为了在监测和诊断上,更加具有准确性和有效性,另一个重要的方面,对偏心故障的机理进行深入研究,进而从气隙偏心的抑制方面进行研究,不断开发新的抑制技术,甚至是气隙调节和控制技术等。 

3.5、从理论出发,对不平衡磁拉力给予进一步研究 

    产生不平衡磁拉力的机理相对比较复杂,对不平衡磁拉力给予准确计算,是一个较为重要的研究内容,但现阶段,在不平衡磁拉力的计算方面,还没有具有较强适用性和准确性的计算表达式,因此,在未来的研究中,研究重点就是关于此方面的研究。同时,不同的不平衡磁拉力现象,具有不同的发生机理,在实际研究工作中,要根据不同的发生机理,采取适当的解决措施,对不平衡磁拉力进行消除或降低,进而最大限度的降低感应电机的噪声和振动情况,并通过对不平衡磁拉力的研究,找出相应的方法,对气隙偏心度的降低进行探讨,在将来的研究工作中,这也是一个主要的研究方向。 


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