團(tuán)隊(duì)介紹

電機(jī)及系統(tǒng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)主要開(kāi)展國(guó)家、地方和企業(yè)項(xiàng)目研發(fā)、技術(shù)服務(wù)和人才培養(yǎng)工作，依托和發(fā)展國(guó)家、地方科研建設(shè)平臺(tái)，搭建和發(fā)展校企協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，制定項(xiàng)目研發(fā)和技術(shù)服務(wù)的發(fā)展方向和計(jì)劃，提升項(xiàng)目研發(fā)和技術(shù)服務(wù)能力，滿足國(guó)家、地方建設(shè)需要，適應(yīng)市場(chǎng)實(shí)際和時(shí)代變化，激發(fā)科研創(chuàng)新思路，為學(xué)校培養(yǎng)和吸納國(guó)際前沿科技人才，為企業(yè)培養(yǎng)和儲(chǔ)備應(yīng)用型設(shè)計(jì)人才創(chuàng)造條件。

戈寶軍，哈爾濱理工大學(xué)二級(jí)教授，電氣工程學(xué)科博士生導(dǎo)師，“頭雁”團(tuán)隊(duì)核心成員，大型電機(jī)電氣與傳熱技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心主任、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)大電機(jī)專委會(huì)副主任委員、教育部高等學(xué)校電氣類教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)副主任委員、全國(guó)高等學(xué)校教學(xué)研究會(huì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)副主任委員、電機(jī)電器及其控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、《電機(jī)與控制學(xué)報(bào)》主編。

主持黑龍江省教育廳省屬高校科技成果研發(fā)、培育、轉(zhuǎn)化支持計(jì)劃“起重機(jī)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)及其控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”1項(xiàng)，國(guó)防基礎(chǔ)研發(fā)計(jì)劃1項(xiàng)，以及主持了“火箭驅(qū)動(dòng)用超低溫電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)”、“汽車用輪轂電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)”、“調(diào)相機(jī)本體絕緣狀態(tài)評(píng)估研究”、“調(diào)相機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試”等企業(yè)科技和委托項(xiàng)目共計(jì)40余項(xiàng)，長(zhǎng)期從事大型機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)教學(xué)科研工作，發(fā)表論文200余篇，其中SCI、EI檢索150余篇，授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)。

導(dǎo)語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的特殊性，對(duì)發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心故障后氣隙磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)及變化規(guī)律進(jìn)行了分析。首先采用磁勢(shì)磁導(dǎo)法得到轉(zhuǎn)子偏心故障對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響，又建立了無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心場(chǎng)路耦合模型，對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心故障下諧波含量進(jìn)行了計(jì)算，得到偏心故障下氣隙磁場(chǎng)諧波的分布特點(diǎn)及變化規(guī)律，所分析結(jié)果為轉(zhuǎn)子偏心故障的檢測(cè)和診斷提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。

研究背景

無(wú)刷雙饋電機(jī)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型電機(jī)，在變頻調(diào)速系統(tǒng)、變速恒頻發(fā)電、船用軸帶發(fā)電、風(fēng)力和水力發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。無(wú)刷雙饋電機(jī)的特點(diǎn)在于取消了電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子繞組形成自閉合回路，定子側(cè)嵌有兩套不同極對(duì)數(shù)定子繞組，通過(guò)特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間接耦合。無(wú)刷雙饋電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心故障，不僅會(huì)影響轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)調(diào)制作用，惡化電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)；甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)子掃膛，電機(jī)燒毀。因此，對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)在轉(zhuǎn)子偏心故障下氣隙磁場(chǎng)特征規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)于探索無(wú)刷雙饋電機(jī)早期故障診斷具有重要意義。

主要內(nèi)容

本文對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)偏心故障對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究。

通常將轉(zhuǎn)子偏心分為靜偏心、動(dòng)偏心和混合偏心。靜偏心，也稱安裝偏心，主要由于電機(jī)定子內(nèi)徑安裝不當(dāng)或不規(guī)則圓度引起的。轉(zhuǎn)子靜偏心時(shí)軸承位置發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子繞偏心后軸承中心旋轉(zhuǎn)，氣隙最小長(zhǎng)度位置不變。動(dòng)偏心，又稱質(zhì)量偏心，是由電機(jī)轉(zhuǎn)軸發(fā)生彎曲、軸承磨損引起的。

轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心后轉(zhuǎn)軸仍繞偏心前軸承中心旋轉(zhuǎn)，氣隙最小長(zhǎng)度隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變。混合偏心，又稱動(dòng)靜混合偏心，靜偏心、動(dòng)偏心故障同時(shí)發(fā)生時(shí)稱為混合偏心。

無(wú)刷雙饋電機(jī)定子側(cè)兩套不同極對(duì)數(shù)繞組同時(shí)工作，使氣隙磁場(chǎng)諧波種類更加復(fù)雜。無(wú)刷雙饋電機(jī)氣隙合成磁勢(shì)可表示如下：

（1）式

（2）式

（2）式中，Bp為功率繞組磁場(chǎng)；Bc為控制繞組磁場(chǎng)；ε為轉(zhuǎn)子偏心率：Pp為功率繞組極對(duì)數(shù)；Pc為控制繞組極對(duì)數(shù)；θ為機(jī)械角位移；ωp為功率繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角頻率；ωc為控制繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角頻率；Φp為功率繞組主波合成磁勢(shì)初相角；Φc為控制繞組主波合成磁勢(shì)初相角。

發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心故障后，靜偏心、動(dòng)偏心故障均會(huì)改變空間諧波極對(duì)數(shù)。發(fā)生偏心故障后諧波極對(duì)數(shù)為基波極對(duì)數(shù)加減一。而諧波幅值正比于偏心率ε。靜偏心故障不會(huì)改變時(shí)間諧波頻率，動(dòng)偏心故障下時(shí)間諧波頻率發(fā)生變化，結(jié)合式(2)、式(7)可得動(dòng)偏心故障下時(shí)間諧波頻率為：

（3）式

（3）式中，fpε為功率繞組頻率在偏心故障后的畸變頻率；fpε為功率繞組頻率在偏心故障后的畸變頻率；Pp為功率繞組極對(duì)數(shù)；Pc為控制繞組極對(duì)數(shù)sp、sc為功率繞組、控制繞組轉(zhuǎn)差率。

對(duì)于2/4對(duì)極無(wú)刷雙饋電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為600r/min，功率繞組頻率為50Hz，控制繞組頻率為10Hz時(shí)，通過(guò)式(2)、式(3)計(jì)算出偏心故障導(dǎo)致的畸變頻率為20Hz、40Hz、60Hz。

本文以一臺(tái)45kW無(wú)刷雙饋電機(jī)為研究對(duì)象，功率繞組星接，控制繞組角接，轉(zhuǎn)子繞組按齒諧波繞組設(shè)計(jì)，通過(guò)場(chǎng)路耦合法可以將電機(jī)的直線部分與端部分開(kāi)考慮，多回路模型中的漏感只剩下電機(jī)的端部漏感；直線部分用二維電磁場(chǎng)的有限元計(jì)算方法，,端部部分通過(guò)多回路模型來(lái)計(jì)算。這樣不僅能考慮繞組的空間位置、連接方式，而且免去了參數(shù)計(jì)算的困難，也簡(jiǎn)化了迭代過(guò)程。

圖1 無(wú)刷雙饋電機(jī)仿真模型

研究某一時(shí)刻電機(jī)磁場(chǎng)的空間分布時(shí)，可將動(dòng)偏心看作不同時(shí)間的靜偏心，并無(wú)本質(zhì)區(qū)。轉(zhuǎn)子偏心故障后，氣隙長(zhǎng)度發(fā)生變化使氣隙磁導(dǎo)隨空間位置分布而改變，進(jìn)而對(duì)氣隙磁場(chǎng)造成影響。氣隙長(zhǎng)度最小區(qū)域磁力線增多，而氣隙長(zhǎng)度最大區(qū)域域磁力線減少，電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)明顯不對(duì)稱。可以看出，轉(zhuǎn)子偏心故障對(duì)氣隙磁場(chǎng)造成嚴(yán)重影響。

對(duì)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行快速傅里葉分析，以4對(duì)極諧波為基準(zhǔn)，各個(gè)極對(duì)數(shù)諧波幅值占基波幅值的百分比如圖2所示。

圖2 氣隙磁場(chǎng)空間諧波

從圖2中可以看出，負(fù)載工況下電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，除2、4對(duì)極基波外，8、10、14、16對(duì)極諧波較大，無(wú)刷雙饋電機(jī)內(nèi)除功率繞組Pp對(duì)極、控制繞組Pc對(duì)極諧波外，還存在有極對(duì)數(shù)為kZr±Pp、kZr±Pc的齒諧波，對(duì)本文2/4極無(wú)刷雙饋電機(jī)，轉(zhuǎn)子等效齒數(shù)為6，則理論上應(yīng)出現(xiàn)6k±2、6k±4對(duì)極諧波(k為正整數(shù))，因此，正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的各對(duì)極空間諧波符合理論結(jié)果，也驗(yàn)證了場(chǎng)路耦合模型的正確性。

電機(jī)氣隙磁場(chǎng)是隨時(shí)間和空間變化的函數(shù)，除去前文討論的空間諧波外，轉(zhuǎn)子偏心還會(huì)對(duì)時(shí)間諧波造成影響。采用場(chǎng)路耦合有限元模型計(jì)算時(shí)，并不能直接計(jì)算出氣隙磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，并且無(wú)刷雙饋電機(jī)中氣隙磁密非常小，無(wú)法通過(guò)放入霍爾元件來(lái)檢測(cè)氣隙磁場(chǎng)。本文將一定匝數(shù)線圈放置在電機(jī)齒部，通過(guò)對(duì)線圈上感應(yīng)電壓的諧波分析，來(lái)間接分析氣隙磁場(chǎng)的諧波信號(hào)。

圖3 時(shí)間諧波幅值隨頻率和偏心率變化

正常運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)線圈上相應(yīng)感應(yīng)電壓幅值為3.53mV、8.87mV、12.60mV。當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心率為0.8時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率的感應(yīng)電壓幅值為15.59mV、14.10mV、16.70mV，分別為正常運(yùn)行的4.42、1.59、1.33倍。檢測(cè)線圈上諧波電壓的增大，反映出氣隙磁場(chǎng)中相應(yīng)頻率諧波的增大。

從圖3中還可以看出，隨著偏心率的增大，諧波幅值隨之增大，諧波磁場(chǎng)與偏心率呈正相關(guān)關(guān)系。因此，當(dāng)氣隙磁場(chǎng)中的檢測(cè)信號(hào)幅值逐漸增大，說(shuō)明電機(jī)發(fā)生動(dòng)態(tài)偏心故障的程度加劇，這也為電機(jī)動(dòng)態(tài)偏心故障的定量診斷提供了依據(jù)。

對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)內(nèi)所有檢測(cè)線圈取同一頻率諧波幅值，可研究諧波磁場(chǎng)隨空間位置的變化規(guī)律。從圖3中可以看出轉(zhuǎn)子偏心故障后20Hz諧波幅值增大最為明顯，以20Hz諧波為研究對(duì)象，來(lái)對(duì)氣隙磁場(chǎng)諧波隨空間位置的分布規(guī)律進(jìn)行研究,20Hz諧波在不同偏心率下隨空間位置的分布規(guī)律如圖4所示。

圖4 時(shí)間諧波信號(hào)的空間分布

從圖4中可以看出，偏心故障后，各個(gè)偏心率下，感應(yīng)電壓幅值在不同空間位置處相差較大，總體上隨空間位置變化呈正弦分布。不同偏心率下諧波信號(hào)增大程度并不相同，在圓周角度180°位置，也是氣隙長(zhǎng)度最小區(qū)域，偏心率增加對(duì)諧波信號(hào)的影響最為明顯。

而在圓周角度105°、200°、328°處的諧波信號(hào)較小，若僅對(duì)這些位置檢測(cè)線圈信號(hào)分析，則很難看出轉(zhuǎn)子偏心對(duì)諧波信號(hào)的的影響。因此在檢測(cè)轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心信號(hào)時(shí)，在電機(jī)內(nèi)部設(shè)置多個(gè)檢測(cè)線圈聯(lián)合分析，對(duì)早期故障檢測(cè)具有重要意義。

結(jié)論

本文采用磁勢(shì)磁導(dǎo)法從理論上分析了無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心故障對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響，并建立了無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心場(chǎng)路耦合模型，以一臺(tái)2/4對(duì)極45kW無(wú)刷雙饋電機(jī)為例，對(duì)轉(zhuǎn)子偏心故障對(duì)氣隙磁場(chǎng)空間諧波、時(shí)間諧波的影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得到以下結(jié)論：

• （1）轉(zhuǎn)子偏心故障會(huì)導(dǎo)致氣隙磁場(chǎng)諧波極對(duì)數(shù)的變化，增加的諧波磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)為基波磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)加減一。2/4對(duì)極無(wú)刷雙饋電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)氣隙磁場(chǎng)中主要為2、4對(duì)極基波，轉(zhuǎn)子偏心后會(huì)引進(jìn)1、3、5對(duì)極諧波。
• （2）轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心會(huì)使氣隙磁場(chǎng)諧波頻率發(fā)生變化，通過(guò)解析法給出了因轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心而引進(jìn)的諧波頻率計(jì)算公式。
• （3）對(duì)于一臺(tái)2/4對(duì)極、功率繞組50Hz，控制繞組頻率10Hz的無(wú)刷雙饋電機(jī)，動(dòng)偏心故障會(huì)導(dǎo)致20Hz、40Hz、60Hz時(shí)間諧波增大，其中20Hz諧波幅值增加最明顯，在偏心率為0.8時(shí)達(dá)到正常運(yùn)行狀態(tài)下的4.42倍。不同頻率的時(shí)間諧波幅值隨偏心率增加而增大。
• （4）轉(zhuǎn)子偏心故障后，無(wú)刷雙饋電機(jī)氣隙諧波磁場(chǎng)隨空間位置呈正弦分布，隨著偏心率的增加，氣隙長(zhǎng)度最小區(qū)域諧波信號(hào)增加最為明顯。

引用本文

戈寶軍, 毛博, 林鵬, 肖芳, 牛煥然. 無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(3): 502-508. Ge Baojun, Mao Bo, Lin Peng, Xiao Fang, Niu Huanran. Effect of Rotor Eccentricity Fault on Air Gap Magnetic Field in Brushless Doubly-Fed Machine. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 502-508.