團隊介紹

電機及系統(tǒng)創(chuàng)新團隊主要開展國家、地方和企業(yè)項目研發(fā)、技術(shù)服務(wù)和人才培養(yǎng)工作，依托和發(fā)展國家、地方科研建設(shè)平臺，搭建和發(fā)展校企協(xié)同創(chuàng)新平臺，制定項目研發(fā)和技術(shù)服務(wù)的發(fā)展方向和計劃，提升項目研發(fā)和技術(shù)服務(wù)能力，滿足國家、地方建設(shè)需要，適應市場實際和時代變化，激發(fā)科研創(chuàng)新思路，為學校培養(yǎng)和吸納國際前沿科技人才，為企業(yè)培養(yǎng)和儲備應用型設(shè)計人才創(chuàng)造條件。

戈寶軍，哈爾濱理工大學二級教授，電氣工程學科博士生導師，“頭雁”團隊核心成員，大型電機電氣與傳熱技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心主任、中國電工技術(shù)學會大電機專委會副主任委員、教育部高等學校電氣類教學指導委員會副主任委員、全國高等學校教學研究會電氣工程及其自動化專業(yè)委員會副主任委員、電機電器及其控制重點實驗室主任、《電機與控制學報》主編。

主持黑龍江省教育廳省屬高?？萍汲晒邪l(fā)、培育、轉(zhuǎn)化支持計劃“起重機用開關(guān)磁阻電機及其控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”1項，國防基礎(chǔ)研發(fā)計劃1項，以及主持了“火箭驅(qū)動用超低溫電機及其驅(qū)動系統(tǒng)研發(fā)”、“汽車用輪轂電機及其驅(qū)動系統(tǒng)研發(fā)”、“調(diào)相機本體絕緣狀態(tài)評估研究”、“調(diào)相機內(nèi)冷水系統(tǒng)現(xiàn)場測試”等企業(yè)科技和委托項目共計40余項，長期從事大型機電能量轉(zhuǎn)換裝置基礎(chǔ)理論與應用技術(shù)教學科研工作，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。

導語

本文針對無刷雙饋電機氣隙磁場的特殊性，對發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心故障后氣隙磁場的分布特點及變化規(guī)律進行了分析。首先采用磁勢磁導法得到轉(zhuǎn)子偏心故障對氣隙磁場的影響，又建立了無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子偏心場路耦合模型，對無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子偏心故障下諧波含量進行了計算，得到偏心故障下氣隙磁場諧波的分布特點及變化規(guī)律，所分析結(jié)果為轉(zhuǎn)子偏心故障的檢測和診斷提供了相應的理論依據(jù)。

研究背景

無刷雙饋電機是一種具有廣泛應用前景的新型電機，在變頻調(diào)速系統(tǒng)、變速恒頻發(fā)電、船用軸帶發(fā)電、風力和水力發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中有廣泛的應用。無刷雙饋電機的特點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)嵌有兩套不同極對數(shù)定子繞組，通過特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)間接耦合。無刷雙饋電機發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心故障，不僅會影響轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制作用，惡化電機各項性能指標；甚至會造成轉(zhuǎn)子掃膛，電機燒毀。因此，對無刷雙饋電機在轉(zhuǎn)子偏心故障下氣隙磁場特征規(guī)律進行研究，對于探索無刷雙饋電機早期故障診斷具有重要意義。

主要內(nèi)容

本文對無刷雙饋電機偏心故障對氣隙磁場的影響進行了研究。

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

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

無刷雙饋電機定子側(cè)兩套不同極對數(shù)繞組同時工作，使氣隙磁場諧波種類更加復雜。無刷雙饋電機氣隙合成磁勢可表示如下：

（1）式

（2）式

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

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

（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為功率繞組極對數(shù)；Pc為控制繞組極對數(shù)sp、sc為功率繞組、控制繞組轉(zhuǎn)差率。

對于2/4對極無刷雙饋電機，當電機轉(zhuǎn)速為600r/min，功率繞組頻率為50Hz，控制繞組頻率為10Hz時，通過式(2)、式(3)計算出偏心故障導致的畸變頻率為20Hz、40Hz、60Hz。

本文以一臺45kW無刷雙饋電機為研究對象，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，通過場路耦合法可以將電機的直線部分與端部分開考慮，多回路模型中的漏感只剩下電機的端部漏感；直線部分用二維電磁場的有限元計算方法，,端部部分通過多回路模型來計算。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)計算的困難，也簡化了迭代過程。

圖1 無刷雙饋電機仿真模型

研究某一時刻電機磁場的空間分布時，可將動偏心看作不同時間的靜偏心，并無本質(zhì)區(qū)。轉(zhuǎn)子偏心故障后，氣隙長度發(fā)生變化使氣隙磁導隨空間位置分布而改變，進而對氣隙磁場造成影響。氣隙長度最小區(qū)域磁力線增多，而氣隙長度最大區(qū)域域磁力線減少，電機內(nèi)部磁場明顯不對稱?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)子偏心故障對氣隙磁場造成嚴重影響。

對氣隙磁場進行快速傅里葉分析，以4對極諧波為基準，各個極對數(shù)諧波幅值占基波幅值的百分比如圖2所示。

圖2 氣隙磁場空間諧波

從圖2中可以看出，負載工況下電機正常運行時，除2、4對極基波外，8、10、14、16對極諧波較大，無刷雙饋電機內(nèi)除功率繞組Pp對極、控制繞組Pc對極諧波外，還存在有極對數(shù)為kZr±Pp、kZr±Pc的齒諧波，對本文2/4極無刷雙饋電機，轉(zhuǎn)子等效齒數(shù)為6，則理論上應出現(xiàn)6k±2、6k±4對極諧波(k為正整數(shù))，因此，正常運行時出現(xiàn)的各對極空間諧波符合理論結(jié)果，也驗證了場路耦合模型的正確性。

電機氣隙磁場是隨時間和空間變化的函數(shù)，除去前文討論的空間諧波外，轉(zhuǎn)子偏心還會對時間諧波造成影響。采用場路耦合有限元模型計算時，并不能直接計算出氣隙磁場隨時間的變化規(guī)律，并且無刷雙饋電機中氣隙磁密非常小，無法通過放入霍爾元件來檢測氣隙磁場。本文將一定匝數(shù)線圈放置在電機齒部，通過對線圈上感應電壓的諧波分析，來間接分析氣隙磁場的諧波信號。

圖3 時間諧波幅值隨頻率和偏心率變化

正常運行時，檢測線圈上相應感應電壓幅值為3.53mV、8.87mV、12.60mV。當轉(zhuǎn)子偏心率為0.8時，對應頻率的感應電壓幅值為15.59mV、14.10mV、16.70mV，分別為正常運行的4.42、1.59、1.33倍。檢測線圈上諧波電壓的增大，反映出氣隙磁場中相應頻率諧波的增大。

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，諧波磁場與偏心率呈正相關(guān)關(guān)系。因此，當氣隙磁場中的檢測信號幅值逐漸增大，說明電機發(fā)生動態(tài)偏心故障的程度加劇，這也為電機動態(tài)偏心故障的定量診斷提供了依據(jù)。

對無刷雙饋電機內(nèi)所有檢測線圈取同一頻率諧波幅值，可研究諧波磁場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諧波為研究對象，來對氣隙磁場諧波隨空間位置的分布規(guī)律進行研究,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 時間諧波信號的空間分布

從圖4中可以看出，偏心故障后，各個偏心率下，感應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增大程度并不相同，在圓周角度180°位置，也是氣隙長度最小區(qū)域，偏心率增加對諧波信號的影響最為明顯。

而在圓周角度105°、200°、328°處的諧波信號較小，若僅對這些位置檢測線圈信號分析，則很難看出轉(zhuǎn)子偏心對諧波信號的的影響。因此在檢測轉(zhuǎn)子動偏心信號時，在電機內(nèi)部設(shè)置多個檢測線圈聯(lián)合分析，對早期故障檢測具有重要意義。

結(jié)論

本文采用磁勢磁導法從理論上分析了無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子偏心故障對氣隙磁場的影響，并建立了無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子偏心場路耦合模型，以一臺2/4對極45kW無刷雙饋電機為例，對轉(zhuǎn)子偏心故障對氣隙磁場空間諧波、時間諧波的影響進行了詳細的研究，得到以下結(jié)論：

• （1）轉(zhuǎn)子偏心故障會導致氣隙磁場諧波極對數(shù)的變化，增加的諧波磁場極對數(shù)為基波磁場極對數(shù)加減一。2/4對極無刷雙饋電機正常運行時氣隙磁場中主要為2、4對極基波，轉(zhuǎn)子偏心后會引進1、3、5對極諧波。
• （2）轉(zhuǎn)子動偏心會使氣隙磁場諧波頻率發(fā)生變化，通過解析法給出了因轉(zhuǎn)子動偏心而引進的諧波頻率計算公式。
• （3）對于一臺2/4對極、功率繞組50Hz，控制繞組頻率10Hz的無刷雙饋電機，動偏心故障會導致20Hz、40Hz、60Hz時間諧波增大，其中20Hz諧波幅值增加最明顯，在偏心率為0.8時達到正常運行狀態(tài)下的4.42倍。不同頻率的時間諧波幅值隨偏心率增加而增大。
• （4）轉(zhuǎn)子偏心故障后，無刷雙饋電機氣隙諧波磁場隨空間位置呈正弦分布，隨著偏心率的增加，氣隙長度最小區(qū)域諧波信號增加最為明顯。

引用本文

戈寶軍, 毛博, 林鵬, 肖芳, 牛煥然. 無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子偏心對氣隙磁場的影響[J]. 電工技術(shù)學報, 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.