轉(zhuǎn)子偏心對(duì)異步電機(jī)的影響分析

蘇國(guó)霞

(佳木斯電機(jī)股份有限公司,黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

電機(jī)運(yùn)行中時(shí)常會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)本身或系統(tǒng)問題而處于非正常運(yùn)行狀態(tài),轉(zhuǎn)子偏心是其中常見問題之一。轉(zhuǎn)子偏心后經(jīng)導(dǎo)致電機(jī)氣隙不均勻,影響氣隙磁場(chǎng)。通常情況下,當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心量超過電機(jī)氣隙值的一定范圍時(shí),可判定電機(jī)產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子偏心故障。轉(zhuǎn)子偏心是一種電機(jī)定子幾何中心和轉(zhuǎn)子幾何中心不重合、發(fā)生偏離的非正常工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)子偏心故障是一種不可避免的故障,這是由于在電機(jī)制造過程中,無可避免的存在加工及裝配偏差。只能采取一定的措施,盡量降低這種偏差,把轉(zhuǎn)子偏心帶來的危害降到最低。

電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心故障發(fā)生后,電機(jī)磁場(chǎng)也發(fā)生著變化,使電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間氣隙改變,導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)畸變。電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)與氣隙磁場(chǎng)的分布特性息息相關(guān),將使電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩畸變,影響著電機(jī)的性能、振動(dòng)與噪聲、發(fā)熱等。更重要的是,電機(jī)的長(zhǎng)期安全運(yùn)行受到轉(zhuǎn)子偏心故障影響較大。

1 轉(zhuǎn)子偏心的分類

按照偏心時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況,偏心可以分為靜偏心、動(dòng)偏心以及混合偏心,示意圖如圖1所示。

正常狀況下,電機(jī)定子的軸線、轉(zhuǎn)子的軸線以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線應(yīng)為同一條軸線如圖1(a)所示。但是由于加工制造、安裝調(diào)試等原因,導(dǎo)致電機(jī)定轉(zhuǎn)子軸系不重合,產(chǎn)生偏心故障。靜偏心如圖1(b)所示,此種狀態(tài)時(shí)定轉(zhuǎn)子軸線不重合,轉(zhuǎn)子沿自身幾何軸線旋轉(zhuǎn),最小氣隙位置不變;動(dòng)偏心如圖1(c)所示,此種狀態(tài)時(shí)定轉(zhuǎn)子軸線重合,轉(zhuǎn)子沿定子幾何軸線旋轉(zhuǎn),最小氣隙位置不斷變化;混合偏心如圖1(d)所示,是這兩種偏心的混合,這種偏心更復(fù)雜也更常見。除了這三種常見偏心類型外,由于電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的傾斜、彎曲等狀況的存在,軸向上的氣隙的均勻程度也是不一致的,這又可以分為平行偏心、傾斜偏心以及彎曲偏心等等。

2 轉(zhuǎn)子偏心對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響

以一臺(tái)180kW、2極異步電動(dòng)機(jī)為例,通過設(shè)置不同的偏心狀態(tài),計(jì)算額定負(fù)載狀態(tài)下的氣隙磁密。由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)在軸向上是不變的,本文中將在Ansys Maxwell軟件中建立電機(jī)二維仿真模型,如圖2所示。

圖2 Maxwell 2D仿真模型轉(zhuǎn)子偏心率

(1)

式中,ε—偏心量;δ—電機(jī)氣隙值。

選取轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心和靜偏心,偏心量分別為0mm、0.2mm,0.5mm,1.0mm(對(duì)應(yīng)偏心率分別為0%、7.14%、17.86%、35.71%)進(jìn)行仿真分析。得出靜偏心和動(dòng)偏心下三種偏心量和正常運(yùn)行狀態(tài)的電機(jī)氣隙磁密對(duì)比圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 靜偏心氣隙磁密沿空間分布圖(偏心量分別為0 mm,0.2mm、0.5mm、1.0mm)

圖4 動(dòng)偏心氣隙磁密沿空間分布圖(偏心量分別為0mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm)

從圖3、圖4及表1可以看出,轉(zhuǎn)子偏心故障后,定轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻造成電機(jī)周向上的磁路不對(duì)稱,周向氣隙不同位置處的飽和程度存在差異:在電機(jī)氣隙最大處,氣隙磁阻較大,經(jīng)過此處的磁路上的磁密較小,比較不容易飽和或者飽和程度較小;在氣隙最小處,氣隙磁阻較小,比較容易飽和或者飽和程度較大。氣隙磁導(dǎo)隨氣隙長(zhǎng)度變化而發(fā)生變化,這將對(duì)氣隙磁場(chǎng)造成一定影響。隨著轉(zhuǎn)子偏心程度的增加,不同位置氣隙的差值將明顯增大。

表1 不同偏心量下氣隙磁密平均值

靜偏心及動(dòng)偏心在不同偏心量下氣隙磁密平均值如表1所示。

為了更形象的對(duì)比分析不同偏心量下氣隙磁密大小,本文基于傅里葉分解,對(duì)不同轉(zhuǎn)子偏心狀態(tài)下的氣隙磁密諧波進(jìn)行了分解。運(yùn)行軟件自帶的諧波分析方法,表2給出了不同轉(zhuǎn)子偏心狀態(tài)下氣隙磁密各次諧波大小的對(duì)比。

表2 靜偏心時(shí)不同偏心量下感應(yīng)電勢(shì)幅值大小

電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子氣隙不均勻,使氣隙長(zhǎng)度變化,必然使氣隙磁場(chǎng)也相應(yīng)改變。從表2、表3中可以看出,偏心量越大,氣隙磁場(chǎng)變化越大,氣隙磁場(chǎng)中各次諧波分量也越大。

表3 動(dòng)偏心時(shí)不同偏心量下感應(yīng)電勢(shì)幅值大小

3 轉(zhuǎn)子偏心對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子氣隙不均勻,使氣隙長(zhǎng)度變化,必然使氣隙磁場(chǎng)也相應(yīng)改變。氣隙磁場(chǎng)的變化必然會(huì)影響電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及電機(jī)性能。這一部分將研究轉(zhuǎn)子偏心對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響。

還是以180kW、2極異步電動(dòng)機(jī)為例,選取轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心和靜偏心,偏心量分別為0mm、0.2mm,0.5mm,1.0mm(對(duì)應(yīng)偏心率分別為0%、7.14%、17.86%、35.71%)進(jìn)行仿真分析。得出靜偏心和動(dòng)偏心下不同偏心量的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖5所示。

圖5 不同偏心量時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

從圖5可以看出,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)現(xiàn)象,這種波動(dòng)將影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),可能會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)和噪聲,更為嚴(yán)重的是這種波動(dòng)將對(duì)其驅(qū)動(dòng)的設(shè)備產(chǎn)生不利影響。

利用有限元仿真,在靜偏心和動(dòng)偏心的偏心量為0mm、0.2mm,0.5mm,1.0mm下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平均值分別如表3所示。

表3 不同偏心量下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平均值

從表3可以看出,工作在相同電壓、功角狀態(tài)下的異步電動(dòng)機(jī),隨著轉(zhuǎn)子偏心程度的增加,電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平均值稍有減小。同樣的偏心量,動(dòng)偏心輸出轉(zhuǎn)矩減少程度大于靜偏心。如偏心量0.2mm時(shí),動(dòng)偏心時(shí)輸出平均轉(zhuǎn)矩為481.6 N·m,靜偏心時(shí)為482.1 N·m;偏心量0.5mm時(shí),動(dòng)偏心時(shí)輸出平均轉(zhuǎn)矩為480.1 N·m,靜偏心時(shí)為480.3 N·m;偏心量1.0mm時(shí),動(dòng)偏心時(shí)輸出平均轉(zhuǎn)矩為475.1 N·m,靜偏心時(shí)為477.8 N·m。綜上所述,電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)有一定影響,但影響不是特別顯著。

4 結(jié)語

本文針對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心和靜偏心,在不同的偏心量下分別仿真分析了偏心對(duì)氣隙磁場(chǎng)和輸出轉(zhuǎn)矩的影響。對(duì)比正常運(yùn)行狀態(tài)可以看出,隨著異步電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心程度的加劇,氣隙磁密波形會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形,并使輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動(dòng)。偏心程度越嚴(yán)重,氣隙磁密越飽和,各次諧波感應(yīng)電勢(shì)幅值越大,輸出轉(zhuǎn)矩越小。本文對(duì)轉(zhuǎn)子偏心氣隙磁場(chǎng)的分析方法同樣適用于研究其它類型電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心問題的研究。