有限元漏磁仿真在異步電機非相鄰斷條故障檢測中的應用

何 榮，朱敦忠

(桂林理工大學南寧分校，廣西 南寧 530001)

0 引 言

轉子斷條是異步電動機（induction motor，IM）發生頻率較高且對電機壽命影響較為嚴重的一種故障，可引發電機轉矩和轉速波動、運行溫度升高、定子繞組絕緣等嚴重問題[1-5]，嚴重影響IM的動態性能，從而影響電機效率。因此，有效檢測轉子斷條故障，減少IM在工業應用中的關機和維修，對提高產能、減低費用具有重要意義。

電機電流特征分析（MCSA）是目前應用最廣泛的IM斷條故障檢測方法[6-10]。該方法利用定子相電流頻譜進行故障特征識別，頻譜中(1±2s)fs處的邊帶諧波是用于轉子斷條故障檢測的最常用特征，其中s是電機轉差，fs是電源頻率。然而，由于負載扭矩、轉子風道等因素的影響，應用MCSA容易導致IM非相鄰斷條故障的錯誤診斷[11]。文獻[12]指出，如果轉子斷條位置間隔π/2電弧度，則由于補償作用可能導致MCSA方法失效，出現故障誤檢。文獻[13]表明，定子電流頻譜左邊帶諧波(1-2s)fs的振幅隨轉子斷條位置的變化而變化。文獻[14]指出，如果兩個斷條的位置相隔90°或180°電角度，則電流頻譜可能無法檢測到轉子斷條故障。可見，對于IM轉子非相鄰斷條故障，采用MCSA存在較大的診斷風險。

相較于MCSA，漏磁檢測作為一種更為穩健的IM故障檢測方法，近年來也逐漸得到了廣泛應用?；诼┐艂鞲衅鳈z測技術，文獻[15-16]分別研究IM的定子繞組短路故障和轉子故障的診斷方法。文獻[17]利用外部線圈捕獲電機機座周圍的雜散磁通，研究了IM匝間短路故障的檢測方法。武玉才等[18]采用實驗方法，利用端部漏磁特征頻率對汽輪發電機轉子匝間短路故障診斷進行了研究。

本文采用漏磁法開展IM非相鄰斷條故障檢測研究，斷條間隔為半極距和全極距。在ANSYS@Maxwell-2D軟件中對IM進行了建模，并在采樣頻率為10 kHz的條件下對正常和故障IM進行基于有限元的瞬態磁場分布仿真。通過比較不同斷條間隔下的定子電流和漏磁頻譜，說明漏磁法在IM非相鄰斷條故障檢測方面的優越性。

1 異步電機漏磁狀態的有限元仿真

采用ANSYS@Maxwell-2D交互軟件對IM進行建模。該軟件提供了各點的磁場分布、轉矩、速度、電流和磁通密度等電磁學暫態解。IM參數如表1所示，模型中考慮了定子和轉子尺寸、導條/槽數、鐵芯材料、定子繞組連接等實際幾何參數和材料磁參數，得到了準確的結果。為模擬初期斷條故障，將導條電導率降低為原值的1%。位于電機機架上的磁通傳感器實時測量徑向和切向漏磁，以檢測IM中轉子斷條故障，如圖1所示。由于IM所需的轉矩來源于由定子和轉子磁場的相互作用，因此漏磁并不影響電機轉矩生成。

表 1 異步電機主要參數

圖 1 異步電機漏磁二維ANSYS仿真模型

漏磁通作為氣隙磁通的函數，可以用來監測IM的動態性能。如果IM發生斷條故障，氣隙磁通和漏磁通將受到顯著影響。

圖2顯示了不同狀態下IM的磁場分布。表2為不同狀態下的轉子斷條位置。由圖2可以看出，健康電機的磁場分布具有對稱性；相鄰斷條故障下（圖2（b）），磁場分布對稱性喪失。然而，對于狀態3和狀態4，尚缺少有效結論證明磁場分布具有非對稱性[10,13]。

圖 2 不同狀態下電機磁場分布

2 異步電機漏磁狀態有限元仿真結果

為了檢測表2中不同狀態下的斷條故障，在s=0.055和轉子轉速nr=1 420 r/min的滿載和半載條件下進行定子電流實驗測量以及漏磁狀態的有限元模擬。在10 kHz采樣頻率下對定子電流和漏磁采樣3 s，并利用Matlab軟件對采集到的數據進行快速Fourier變換，得到定子電流和漏磁通頻譜。

表 2 不同狀態下的IM轉子斷條位置

如圖3所示，由于切向漏磁通比徑向漏磁通幅值更高，因此本文采用切向漏磁通進行故障檢測。圖4給出了氣隙磁通和漏磁通的徑向和切向分量的時域表達式，從圖中可以看出，氣隙磁通中的徑向分量占主要部分，而泄漏通中的切向分量占主要部分。

圖 3 氣隙磁通和漏磁通分量定義

圖 4 氣隙磁通和漏磁通的切向和徑向分量

圖5和圖6分別給出了不同狀態下的IM單相定子電流和切向漏磁頻譜。由圖5(a)和圖6(a)可以看出，健康電機定子電流和漏磁頻譜中只有(1-2s)fs頻率處的低分辨殘余諧波。從 圖5(b)～圖5(d)可以清楚地看到，定子電流基波周圍的諧波（例如(1±2ks)fs，其中k=1,2,3,···）幅值僅由于斷條故障而增大，從中并無法分辨IM是否存在非相鄰斷條故障。此外，從圖5(b)～圖5(d)還可以看出，狀態2和狀態4中(1±2s)fs處的信號幅值相接近，而與狀態3中的差異較大，因此難以區分相鄰斷條故障和非相鄰斷條故障。相反，如果在相同條件下分析漏磁通，則除了圖 6(b)～圖 6(d)中所示的(1±2ks)fs外，漏磁通頻譜中還有一些額外特征，如sfs、3sfs和fr+sfs，其中fr=23.66 Hz為旋轉頻率。在這些信號中，3sfs和fr+sfs頻率處的信號幅值對斷條間隔位置不敏感。

圖 5 不同狀態電機單相定子電流頻譜

圖 6 不同狀態電機切向漏磁頻譜

表3和表4給出了不同負載水平下漏磁通和定子電流特性信號的振幅。如表所示，漏磁通中fr+sfs處的信號與負載水平和斷條位置關系不大。而對于相鄰斷條和非相鄰斷條故障，漏磁通信號中3sfs和fr+sfs處的振幅差異明顯，可作為區分相鄰和非相鄰斷條故障的關鍵特征信號。

表 3 不同負載條件下的漏磁頻譜數據

表 4 不同負載條件下的定子電流頻譜數據

3 結束語

應用MCSA進行異步電機轉子非相鄰斷條故障檢測時，由于定子電流易受負載轉矩、轉子風道等因素的影響，可能出現故障誤診。本文采用基于有限元的漏磁檢測模擬，得到了健康狀態、相鄰斷條故障狀態以及兩種非相鄰斷條故障狀態異步電機的漏磁頻譜，并在相同條件下與MCSA所得的定子電流頻譜結果進行了對比，得出如下結論：

1）對于轉子非相鄰斷條故障，漏磁頻譜中含有3sfs和fr+sfs等諧波分量，可作為區分異步電機轉子相鄰和非相鄰斷條故障的關鍵特征信號。因此，漏磁檢測相較于MCSA具有較好的診斷準確性和魯棒性。

2）在采用漏磁檢測方法進行異步電機轉子非相鄰斷條故障診斷時，漏磁頻譜的fr+sfs諧波分量與電機負載水平關聯性較小，進一步說明了漏磁檢測在異步電機轉子非相鄰斷條故障診斷中的魯棒性。

3）后續研究將集中于任意間距斷條故障的異步電機磁場分布的有限元仿真分析，實現更為精確、定量的異步電機斷條故障檢測和預防性維修策略。