何 榮，朱敦忠

(桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西 南寧 530001)

0 引 言

轉(zhuǎn)子斷條是異步電動(dòng)機(jī)（induction motor，IM）發(fā)生頻率較高且對(duì)電機(jī)壽命影響較為嚴(yán)重的一種故障，可引發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)、運(yùn)行溫度升高、定子繞組絕緣等嚴(yán)重問題[1-5]，嚴(yán)重影響IM的動(dòng)態(tài)性能，從而影響電機(jī)效率。因此，有效檢測(cè)轉(zhuǎn)子斷條故障，減少IM在工業(yè)應(yīng)用中的關(guān)機(jī)和維修，對(duì)提高產(chǎn)能、減低費(fèi)用具有重要意義。

電機(jī)電流特征分析（MCSA）是目前應(yīng)用最廣泛的IM斷條故障檢測(cè)方法[6-10]。該方法利用定子相電流頻譜進(jìn)行故障特征識(shí)別，頻譜中(1±2s)fs處的邊帶諧波是用于轉(zhuǎn)子斷條故障檢測(cè)的最常用特征，其中s是電機(jī)轉(zhuǎn)差，fs是電源頻率。然而，由于負(fù)載扭矩、轉(zhuǎn)子風(fēng)道等因素的影響，應(yīng)用MCSA容易導(dǎo)致IM非相鄰斷條故障的錯(cuò)誤診斷[11]。文獻(xiàn)[12]指出，如果轉(zhuǎn)子斷條位置間隔π/2電弧度，則由于補(bǔ)償作用可能導(dǎo)致MCSA方法失效，出現(xiàn)故障誤檢。文獻(xiàn)[13]表明，定子電流頻譜左邊帶諧波(1-2s)fs的振幅隨轉(zhuǎn)子斷條位置的變化而變化。文獻(xiàn)[14]指出，如果兩個(gè)斷條的位置相隔90°或180°電角度，則電流頻譜可能無法檢測(cè)到轉(zhuǎn)子斷條故障?？梢?，對(duì)于IM轉(zhuǎn)子非相鄰斷條故障，采用MCSA存在較大的診斷風(fēng)險(xiǎn)。

相較于MCSA，漏磁檢測(cè)作為一種更為穩(wěn)健的IM故障檢測(cè)方法，近年來也逐漸得到了廣泛應(yīng)用?；诼┐艂鞲衅鳈z測(cè)技術(shù)，文獻(xiàn)[15-16]分別研究IM的定子繞組短路故障和轉(zhuǎn)子故障的診斷方法。文獻(xiàn)[17]利用外部線圈捕獲電機(jī)機(jī)座周圍的雜散磁通，研究了IM匝間短路故障的檢測(cè)方法。武玉才等[18]采用實(shí)驗(yàn)方法，利用端部漏磁特征頻率對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷進(jìn)行了研究。

本文采用漏磁法開展IM非相鄰斷條故障檢測(cè)研究，斷條間隔為半極距和全極距。在ANSYS@Maxwell-2D軟件中對(duì)IM進(jìn)行了建模，并在采樣頻率為10 kHz的條件下對(duì)正常和故障IM進(jìn)行基于有限元的瞬態(tài)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(cè)方面的優(yōu)越性。

1 異步電機(jī)漏磁狀態(tài)的有限元仿真

采用ANSYS@Maxwell-2D交互軟件對(duì)IM進(jìn)行建模。該軟件提供了各點(diǎn)的磁場分布、轉(zhuǎn)矩、速度、電流和磁通密度等電磁學(xué)暫態(tài)解。IM參數(shù)如表1所示，模型中考慮了定子和轉(zhuǎn)子尺寸、導(dǎo)條/槽數(shù)、鐵芯材料、定子繞組連接等實(shí)際幾何參數(shù)和材料磁參數(shù)，得到了準(zhǔn)確的結(jié)果。為模擬初期斷條故障，將導(dǎo)條電導(dǎo)率降低為原值的1%。位于電機(jī)機(jī)架上的磁通傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量徑向和切向漏磁，以檢測(cè)IM中轉(zhuǎn)子斷條故障，如圖1所示。由于IM所需的轉(zhuǎn)矩來源于由定子和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，因此漏磁并不影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩生成。

表 1 異步電機(jī)主要參數(shù)

圖 1 異步電機(jī)漏磁二維ANSYS仿真模型

漏磁通作為氣隙磁通的函數(shù)，可以用來監(jiān)測(cè)IM的動(dòng)態(tài)性能。如果IM發(fā)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(tài)下IM的磁場分布。表2為不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子斷條位置。由圖2可以看出，健康電機(jī)的磁場分布具有對(duì)稱性；相鄰斷條故障下（圖2（b）），磁場分布對(duì)稱性喪失。然而，對(duì)于狀態(tài)3和狀態(tài)4，尚缺少有效結(jié)論證明磁場分布具有非對(duì)稱性[10,13]。

圖 2 不同狀態(tài)下電機(jī)磁場分布

2 異步電機(jī)漏磁狀態(tài)有限元仿真結(jié)果

為了檢測(cè)表2中不同狀態(tài)下的斷條故障，在s=0.055和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr=1 420 r/min的滿載和半載條件下進(jìn)行定子電流實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及漏磁狀態(tài)的有限元模擬。在10 kHz采樣頻率下對(duì)定子電流和漏磁采樣3 s，并利用Matlab軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速Fourier變換，得到定子電流和漏磁通頻譜。

表 2 不同狀態(tài)下的IM轉(zhuǎn)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(jìn)行故障檢測(cè)。圖4給出了氣隙磁通和漏磁通的徑向和切向分量的時(shí)域表達(dá)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(tài)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(jī)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(tài)2和狀態(tài)4中(1±2s)fs處的信號(hào)幅值相接近，而與狀態(tài)3中的差異較大，因此難以區(qū)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(zhuǎn)頻率。在這些信號(hào)中，3sfs和fr+sfs頻率處的信號(hào)幅值對(duì)斷條間隔位置不敏感。

圖 5 不同狀態(tài)電機(jī)單相定子電流頻譜

圖 6 不同狀態(tài)電機(jī)切向漏磁頻譜

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

表 3 不同負(fù)載條件下的漏磁頻譜數(shù)據(jù)

表 4 不同負(fù)載條件下的定子電流頻譜數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

應(yīng)用MCSA進(jìn)行異步電機(jī)轉(zhuǎn)子非相鄰斷條故障檢測(cè)時(shí)，由于定子電流易受負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子風(fēng)道等因素的影響，可能出現(xiàn)故障誤診。本文采用基于有限元的漏磁檢測(cè)模擬，得到了健康狀態(tài)、相鄰斷條故障狀態(tài)以及兩種非相鄰斷條故障狀態(tài)異步電機(jī)的漏磁頻譜，并在相同條件下與MCSA所得的定子電流頻譜結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出如下結(jié)論：

1）對(duì)于轉(zhuǎn)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(qū)分異步電機(jī)轉(zhuǎn)子相鄰和非相鄰斷條故障的關(guān)鍵特征信號(hào)。因此，漏磁檢測(cè)相較于MCSA具有較好的診斷準(zhǔn)確性和魯棒性。

2）在采用漏磁檢測(cè)方法進(jìn)行異步電機(jī)轉(zhuǎn)子非相鄰斷條故障診斷時(shí)，漏磁頻譜的fr+sfs諧波分量與電機(jī)負(fù)載水平關(guān)聯(lián)性較小，進(jìn)一步說明了漏磁檢測(cè)在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子非相鄰斷條故障診斷中的魯棒性。

3）后續(xù)研究將集中于任意間距斷條故障的異步電機(jī)磁場分布的有限元仿真分析，實(shí)現(xiàn)更為精確、定量的異步電機(jī)斷條故障檢測(cè)和預(yù)防性維修策略。