转子偏心对异步电机的影响分析

苏国霞

(佳木斯电机股份有限公司,黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

电机运行中时常会因为电机本身或系统问题而处于非正常运行状态,转子偏心是其中常见问题之一。转子偏心后经导致电机气隙不均匀,影响气隙磁场。通常情况下,当转子偏心量超过电机气隙值的一定范围时,可判定电机产生了转子偏心故障。转子偏心是一种电机定子几何中心和转子几何中心不重合、发生偏离的非正常工作状态。转子偏心故障是一种不可避免的故障,这是由于在电机制造过程中,无可避免的存在加工及装配偏差。只能采取一定的措施,尽量降低这种偏差,把转子偏心带来的危害降到最低。

电机转子偏心故障发生后,电机磁场也发生着变化,使电机定转子之间气隙改变,导致气隙磁场畸变。电机的各项性能指标与气隙磁场的分布特性息息相关,将使电机电磁转矩畸变,影响着电机的性能、振动与噪声、发热等。更重要的是,电机的长期安全运行受到转子偏心故障影响较大。

1 转子偏心的分类

按照偏心时的运动状况,偏心可以分为静偏心、动偏心以及混合偏心,示意图如图1所示。

正常状况下,电机定子的轴线、转子的轴线以及转子旋转的轴线应为同一条轴线如图1(a)所示。但是由于加工制造、安装调试等原因,导致电机定转子轴系不重合,产生偏心故障。静偏心如图1(b)所示,此种状态时定转子轴线不重合,转子沿自身几何轴线旋转,最小气隙位置不变;动偏心如图1(c)所示,此种状态时定转子轴线重合,转子沿定子几何轴线旋转,最小气隙位置不断变化;混合偏心如图1(d)所示,是这两种偏心的混合,这种偏心更复杂也更常见。除了这三种常见偏心类型外,由于电机转子轴的倾斜、弯曲等状况的存在,轴向上的气隙的均匀程度也是不一致的,这又可以分为平行偏心、倾斜偏心以及弯曲偏心等等。

2 转子偏心对气隙磁场的影响

以一台180kW、2极异步电动机为例,通过设置不同的偏心状态,计算额定负载状态下的气隙磁密。由于电机的结构在轴向上是不变的,本文中将在Ansys Maxwell软件中建立电机二维仿真模型,如图2所示。

图2 Maxwell 2D仿真模型转子偏心率

(1)

式中,ε—偏心量;δ—电机气隙值。

选取转子动偏心和静偏心,偏心量分别为0mm、0.2mm,0.5mm,1.0mm(对应偏心率分别为0%、7.14%、17.86%、35.71%)进行仿真分析。得出静偏心和动偏心下三种偏心量和正常运行状态的电机气隙磁密对比图分别如图3、图4所示。

图3 静偏心气隙磁密沿空间分布图(偏心量分别为0 mm,0.2mm、0.5mm、1.0mm)

图4 动偏心气隙磁密沿空间分布图(偏心量分别为0mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm)

从图3、图4及表1可以看出,转子偏心故障后,定转子之间的气隙不均匀造成电机周向上的磁路不对称,周向气隙不同位置处的饱和程度存在差异:在电机气隙最大处,气隙磁阻较大,经过此处的磁路上的磁密较小,比较不容易饱和或者饱和程度较小;在气隙最小处,气隙磁阻较小,比较容易饱和或者饱和程度较大。气隙磁导随气隙长度变化而发生变化,这将对气隙磁场造成一定影响。随着转子偏心程度的增加,不同位置气隙的差值将明显增大。

表1 不同偏心量下气隙磁密平均值

静偏心及动偏心在不同偏心量下气隙磁密平均值如表1所示。

为了更形象的对比分析不同偏心量下气隙磁密大小,本文基于傅里叶分解,对不同转子偏心状态下的气隙磁密谐波进行了分解。运行软件自带的谐波分析方法,表2给出了不同转子偏心状态下气隙磁密各次谐波大小的对比。

表2 静偏心时不同偏心量下感应电势幅值大小

电机转子发生偏心导致定转子气隙不均匀,使气隙长度变化,必然使气隙磁场也相应改变。从表2、表3中可以看出,偏心量越大,气隙磁场变化越大,气隙磁场中各次谐波分量也越大。

表3 动偏心时不同偏心量下感应电势幅值大小

3 转子偏心对输出转矩的影响

电机转子发生偏心导致定转子气隙不均匀,使气隙长度变化,必然使气隙磁场也相应改变。气隙磁场的变化必然会影响电机输出转矩及电机性能。这一部分将研究转子偏心对电机输出转矩的影响。

还是以180kW、2极异步电动机为例,选取转子动偏心和静偏心,偏心量分别为0mm、0.2mm,0.5mm,1.0mm(对应偏心率分别为0%、7.14%、17.86%、35.71%)进行仿真分析。得出静偏心和动偏心下不同偏心量的电机输出转矩波形如图5所示。

图5 不同偏心量时电机输出转矩

从图5可以看出,电机的输出转矩出现了明显的波动现象,这种波动将影响电机的稳定运行状态,可能会引起电机的振动和噪声,更为严重的是这种波动将对其驱动的设备产生不利影响。

利用有限元仿真,在静偏心和动偏心的偏心量为0mm、0.2mm,0.5mm,1.0mm下电机输出转矩平均值分别如表3所示。

表3 不同偏心量下电机输出转矩平均值

从表3可以看出,工作在相同电压、功角状态下的异步电动机,随着转子偏心程度的增加,电动机输出转矩的平均值稍有减小。同样的偏心量,动偏心输出转矩减少程度大于静偏心。如偏心量0.2mm时,动偏心时输出平均转矩为481.6 N·m,静偏心时为482.1 N·m;偏心量0.5mm时,动偏心时输出平均转矩为480.1 N·m,静偏心时为480.3 N·m;偏心量1.0mm时,动偏心时输出平均转矩为475.1 N·m,静偏心时为477.8 N·m。综上所述,电机转子偏心对电机输出转矩会有一定影响,但影响不是特别显著。

4 结语

本文针对转子动偏心和静偏心,在不同的偏心量下分别仿真分析了偏心对气隙磁场和输出转矩的影响。对比正常运行状态可以看出,随着异步电机转子偏心程度的加剧,气隙磁密波形会产生不同程度的变形,并使输出转矩发生脉动。偏心程度越严重,气隙磁密越饱和,各次谐波感应电势幅值越大,输出转矩越小。本文对转子偏心气隙磁场的分析方法同样适用于研究其它类型电机转子偏心问题的研究。