轉子偏心對異步電機的影響分析

蘇國霞

(佳木斯電機股份有限公司,黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

電機運行中時常會因為電機本身或系統(tǒng)問題而處于非正常運行狀態(tài),轉子偏心是其中常見問題之一。轉子偏心后經(jīng)導致電機氣隙不均勻,影響氣隙磁場。通常情況下,當轉子偏心量超過電機氣隙值的一定范圍時,可判定電機產(chǎn)生了轉子偏心故障。轉子偏心是一種電機定子幾何中心和轉子幾何中心不重合、發(fā)生偏離的非正常工作狀態(tài)。轉子偏心故障是一種不可避免的故障,這是由于在電機制造過程中,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,把轉子偏心帶來的危害降到最低。

電機轉子偏心故障發(fā)生后,電機磁場也發(fā)生著變化,使電機定轉子之間氣隙改變,導致氣隙磁場畸變。電機的各項性能指標與氣隙磁場的分布特性息息相關,將使電機電磁轉矩畸變,影響著電機的性能、振動與噪聲、發(fā)熱等。更重要的是,電機的長期安全運行受到轉子偏心故障影響較大。

1 轉子偏心的分類

按照偏心時的運動狀況,偏心可以分為靜偏心、動偏心以及混合偏心,示意圖如圖1所示。

正常狀況下,電機定子的軸線、轉子的軸線以及轉子旋轉的軸線應為同一條軸線如圖1(a)所示。但是由于加工制造、安裝調試等原因,導致電機定轉子軸系不重合,產(chǎn)生偏心故障。靜偏心如圖1(b)所示,此種狀態(tài)時定轉子軸線不重合,轉子沿自身幾何軸線旋轉,最小氣隙位置不變;動偏心如圖1(c)所示,此種狀態(tài)時定轉子軸線重合,轉子沿定子幾何軸線旋轉,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,這種偏心更復雜也更常見。除了這三種常見偏心類型外,由于電機轉子軸的傾斜、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 轉子偏心對氣隙磁場的影響

以一臺180kW、2極異步電動機為例,通過設置不同的偏心狀態(tài),計算額定負載狀態(tài)下的氣隙磁密。由于電機的結構在軸向上是不變的,本文中將在Ansys Maxwell軟件中建立電機二維仿真模型,如圖2所示。

圖2 Maxwell 2D仿真模型轉子偏心率

(1)

式中,ε—偏心量;δ—電機氣隙值。

選取轉子動偏心和靜偏心,偏心量分別為0mm、0.2mm,0.5mm,1.0mm(對應偏心率分別為0%、7.14%、17.86%、35.71%)進行仿真分析。得出靜偏心和動偏心下三種偏心量和正常運行狀態(tài)的電機氣隙磁密對比圖分別如圖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,轉子偏心故障后,定轉子之間的氣隙不均勻造成電機周向上的磁路不對稱,周向氣隙不同位置處的飽和程度存在差異:在電機氣隙最大處,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。氣隙磁導隨氣隙長度變化而發(fā)生變化,這將對氣隙磁場造成一定影響。隨著轉子偏心程度的增加,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,對不同轉子偏心狀態(tài)下的氣隙磁密諧波進行了分解。運行軟件自帶的諧波分析方法,表2給出了不同轉子偏心狀態(tài)下氣隙磁密各次諧波大小的對比。

表2 靜偏心時不同偏心量下感應電勢幅值大小

電機轉子發(fā)生偏心導致定轉子氣隙不均勻,使氣隙長度變化,必然使氣隙磁場也相應改變。從表2、表3中可以看出,偏心量越大,氣隙磁場變化越大,氣隙磁場中各次諧波分量也越大。

表3 動偏心時不同偏心量下感應電勢幅值大小

3 轉子偏心對輸出轉矩的影響

電機轉子發(fā)生偏心導致定轉子氣隙不均勻,使氣隙長度變化,必然使氣隙磁場也相應改變。氣隙磁場的變化必然會影響電機輸出轉矩及電機性能。這一部分將研究轉子偏心對電機輸出轉矩的影響。

還是以180kW、2極異步電動機為例,選取轉子動偏心和靜偏心,偏心量分別為0mm、0.2mm,0.5mm,1.0mm(對應偏心率分別為0%、7.14%、17.86%、35.71%)進行仿真分析。得出靜偏心和動偏心下不同偏心量的電機輸出轉矩波形如圖5所示。

圖5 不同偏心量時電機輸出轉矩

從圖5可以看出,電機的輸出轉矩出現(xiàn)了明顯的波動現(xiàn)象,這種波動將影響電機的穩(wěn)定運行狀態(tài),可能會引起電機的振動和噪聲,更為嚴重的是這種波動將對其驅動的設備產(chǎn)生不利影響。

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

表3 不同偏心量下電機輸出轉矩平均值

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

4 結語

本文針對轉子動偏心和靜偏心,在不同的偏心量下分別仿真分析了偏心對氣隙磁場和輸出轉矩的影響。對比正常運行狀態(tài)可以看出,隨著異步電機轉子偏心程度的加劇,氣隙磁密波形會產(chǎn)生不同程度的變形,并使輸出轉矩發(fā)生脈動。偏心程度越嚴重,氣隙磁密越飽和,各次諧波感應電勢幅值越大,輸出轉矩越小。本文對轉子偏心氣隙磁場的分析方法同樣適用于研究其它類型電機轉子偏心問題的研究。