張旭

【摘 要】 在各個行業(yè)中，感應電機應用的比較廣泛，氣隙偏心是造成機械故障的主要原因，在感應電機的故障中，對于氣隙偏心故障各國都有廣泛的研究，對其檢測方法以及多回路設計模型都有較深的研究，氣隙偏心的類型主要表現(xiàn)為靜態(tài)偏心、斜偏心、混合偏心、動態(tài)偏心等。在本次研究中，主要針對檢測感應電機偏心故障中存在的相關問題給予分析，并結合實際提出了更加具有實用性的感應電機偏心模型。

【關鍵詞】 感應電機 氣隙偏心 故障診斷 振動

從結構上來說，感應電機比同步電機和直流電機更加簡單，主要優(yōu)點表現(xiàn)為較低的制造成本、較高的運行可靠性等，因此，在市場中應用的比較廣泛，各個行業(yè)對其具有較大的需求量，比如有超過90%感應電機應用于電氣傳動系統(tǒng)，60%左右的感應電機應用于電網(wǎng)負載中。在各種較為大型機械中，比如水泵、破碎機、壓縮機等，都是靠大型的感應電機來完成驅動的，如果在工作中，感應電機沒有較高的可靠性，經(jīng)常出現(xiàn)故障，將會給各個行業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失，尤其在電網(wǎng)運行中，一旦發(fā)生故障，將會造成重大事故的發(fā)生，嚴重威脅人們的生命安全。因此，在實際生產(chǎn)中，對感應電機的可靠運行的要求越來越高。

1 感應電機偏心故障的研究現(xiàn)狀

根據(jù)以往的研究資料顯示，在分析電機電流信號的基礎上，對偏心檢測方面具有較深的研究，如果感應電機存在偏心故障，將會有一些頻率特定的電流分量存在于定子繞組中，經(jīng)過多方面的試驗研究證實，找到了繞組函數(shù)法，為氣隙偏心的進一步研究打下了堅實的基礎，也提出了相應的感應電機多回路模型，在正弦電壓激勵基礎下，對無故障電機的啟動性能給予仿真，取得了較好的應用效果，在此模型的基礎下，對各種感應電機故障進行分析，比如定子繞組短路、定子繞組開路、轉子斷條、轉子斷端環(huán)等，得到了效果較好的故障特征。比如轉速、轉矩及電流等。在此模型中氣隙是均勻的，在電感的計算過程中，很容易體現(xiàn)氣隙偏心效果，在后來的研究中，是具有支持作用的理論依據(jù)。在研究過程中，多回路模型應用的比較多，在電感矩陣的計算中，體現(xiàn)出靜態(tài)氣隙偏心，并使用氣隙長度增大的方法對鐵心磁壓降進行考慮，事實驗證，在電感計算中確實存在氣隙偏心現(xiàn)象，但是定子繞組間和轉子回路之間的互感與轉子回路和定子相繞組之間的互感是有區(qū)別的。隨后，對靜態(tài)偏心和無偏心情形下的空載啟動性能之間的差異進行比較，主要包括定子磁鏈曲線、轉子磁鏈曲線、轉速曲線、轉矩曲線、定子電流曲線、轉子電流曲線等，研究結果顯示，在感應電機運行過程中，如果存在靜態(tài)偏心現(xiàn)象，將會延長電機的啟動時間。在感應電機處于穩(wěn)態(tài)的情形下，如果轉子電流較大，將會使電機的穩(wěn)態(tài)升溫持續(xù)增加。

2 對不平衡磁拉力和振動的相關分析

2.1 不平衡磁拉力的相關分析

在感應電機運行中，引起不平衡磁拉力的原因比較多，比較常見的因素為電機的定子和轉子出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，同時，繞組不當和材料磁化不均勻也會引起不平衡磁拉力，在任何電機故障中，不平衡磁拉力現(xiàn)象都是值得關注的，重要的研究方向就是波動情況超過兩倍電頻率和氣隙最小處，在感應電機的相關計算中，由于必須對轉子電流進行計算，因此，在計算不平衡磁拉力時比較困難。近年來，在此方面的研究也比較多，比如測量徑向力等。在簡化計算不平衡磁拉力時，也有相應的計算模型，比如有限元模型、解析法模型等，線性磁路在解析法模型中應用的比較多，各國學者在此方面都進行了深入的研究，并提出了相應的改進模型，比如飽和的非線性模型，在不平衡磁拉力的現(xiàn)實計算中，純靜態(tài)偏心與純動態(tài)偏心是不符合實際研究的，當感應電機出現(xiàn)偏心故障時，可以使用數(shù)值方法對電磁力進行計算，與測量值進行比較，經(jīng)歷了相應的線性和非線性過程。

2.2 振動的相關分析

在電機運行中，振動現(xiàn)象的研究十分復雜，涉及的范圍比較廣，比如機械、電磁等。引起電機振動的一系列聯(lián)動因素綜合作用的結果，轉子偏心導致不平衡磁拉力，不平衡磁拉力又引發(fā)電機振動，追根揭底，還是由于轉子的偏心引起的，氣隙偏心的一個重要故障特征就是具有特定頻率的振動信號。根據(jù)相關實驗研究發(fā)現(xiàn)，在對氣隙偏心進行檢測時，不僅可以用電流信號分析法，還可以使用機殼的振動信號給予檢測。在靜態(tài)偏心的識別中，可以對振動主齒諧波的變化進行觀察，可以通過是否存在特殊頻率分量來識別動態(tài)偏心。根據(jù)相關學者研究顯示，結合低頻信號的觀測分析電流信號，可以對動態(tài)、靜態(tài)偏心的變化給予很好的觀察和判斷，如果出現(xiàn)兩端的偏心較大而平均偏心較小的情形時，分析和檢測電流信號是行不通的，在此情形下，可以檢測機殼特定頻率的振動信號。通過進一步的研究，有人提出對感應電機的兩級進行分析，出現(xiàn)的軸承座振動和轉軸振動情況，主要是由靜態(tài)偏心導致的，進一步證明電磁力與轉軸的振動有關。

3 感應電機偏心故障的研究展望

3.1 提出動態(tài)弧偏心

在感應電機的實際運行中，氣隙偏心情況是比較復雜的，除了靜態(tài)、動態(tài)偏心外，還有不同程度的沿軸向偏心情況，即混合偏心，對于任何的偏心狀態(tài)，都有一個理想化的期望，如圖1所示，是一臺三相潛水感應電機定子和轉子相擦后定子鐵心內(nèi)圓等，從圖中可以看出，鐵心的中部偏后有一個相擦區(qū)域，只有在弧形轉子鐵心下，才能形成相擦區(qū)域，因此，在分析偏心故障時，可以建立一個動態(tài)偏心模型，如圖2所示，表示此種偏心形式。在分析弧偏心時，也可以使用多回路模型，只要在矩陣的計算中引入弧形氣隙特征即可。電機氣隙模型的應用，雖然簡化了偏心模型，但使研究結果的準確性有所降低，因此，在今后的研究中，要不斷提升模型的精確度，更加準確的對氣隙偏心進行檢測和分析。

3.2 在較為復雜的情形下對偏心故障的診斷

對于多數(shù)大型感應電機來說，工作環(huán)境都比較惡劣，需要拖動較大的負載，在運行過程中，很多因素都會對故障信息產(chǎn)生影響，比如負載擾動、外界磁場、機械振動、溫度變化等。近年來，交流調(diào)速技術發(fā)展的比較快，在逆變器的開關過程中，頻率噪聲也會嚴重影響故障診斷系統(tǒng)，因此，與單個感應電機相比，應用于交流調(diào)速器系統(tǒng)的感應電機要復雜的多。感應電機除了氣隙偏心故障外，還有其他故障，比如定子繞組短路、轉子斷條等，如果在感應電機運行過程中，多種故障同時存在，那么各種特征故障信號將會相互影響，使故障診斷的復雜性不斷增加，在今后的研究中，也值得深究。

3.3 監(jiān)測偏心故障的新技術

在對電機氣隙偏心進行判斷時，經(jīng)常使用的方法為振動信號的監(jiān)測、定子電流的分析等，但是這些監(jiān)測方法，具有較弱的抗信號干擾能力，可靠性比較低，在實際監(jiān)測中，最為理想的方法就是對氣隙偏心度進行測量。隨著計算機技術和信息處理技術的不斷發(fā)展，有越來越多的方法應用于電機故障的診斷中，通過結合多種先進技術，使氣隙偏心的監(jiān)測更加有效和準確，在偏心檢測技術的發(fā)展中，這也是主要的發(fā)展方向。

3.4 對偏心抑制策略的相關探索

對電機偏心故障給予研究，不只是為了在監(jiān)測和診斷上，更加具有準確性和有效性，另一個重要的方面，對偏心故障的機理進行深入研究，進而從氣隙偏心的抑制方面進行研究，不斷開發(fā)新的抑制技術，甚至是氣隙調(diào)節(jié)和控制技術等。

3.5 從理論出發(fā)，對不平衡磁拉力給予進一步研究

產(chǎn)生不平衡磁拉力的機理相對比較復雜，對不平衡磁拉力給予準確計算，是一個較為重要的研究內(nèi)容，但現(xiàn)階段，在不平衡磁拉力的計算方面，還沒有具有較強適用性和準確性的計算表達式，因此，在未來的研究中，研究重點就是關于此方面的研究。同時，不同的不平衡磁拉力現(xiàn)象，具有不同的發(fā)生機理，在實際研究工作中，要根據(jù)不同的發(fā)生機理，采取適當?shù)慕鉀Q措施，對不平衡磁拉力進行消除或降低，進而最大限度的降低感應電機的噪聲和振動情況，并通過對不平衡磁拉力的研究，找出相應的方法，對氣隙偏心度的降低進行探討，在將來的研究工作中，這也是一個主要的研究方向。

4 結語

綜上所述，本文通過對國內(nèi)外相關感應電機氣隙偏心故障的分析，在此研究的基礎上，對氣隙偏心檢測技術的發(fā)展方向進行了預測，并根據(jù)實際情況，提出了相應的電機氣隙偏心模型，比如動態(tài)弧偏心，并對大型感應電機的氣隙偏心故障給予大膽合理的猜想，促進了感應電機氣隙偏心故障的進一步研究。

參考文獻

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