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电机定子铁心片间短路故障分析的解析法

发表时间：2021/8/9 来源：《中国科技信息》2021年9月中作者：刘琦张一铭郝令肖

[导读] 电机定子铁心的绝缘易被破坏发生片间短路故障，故障区域出现的局部过热现象会随着故障程度的加深而逐渐增大。

中车永济电机有限公司刘琦张一铭郝令肖山西省永济市 044500

摘要：电机定子铁心的绝缘易被破坏发生片间短路故障，故障区域出现的局部过热现象会随着故障程度的加深而逐渐增大。片间短路故障会引起叠片烧毁或融化，是危及电机可靠运行的重要因素之一。因此，铁心片间短路故障区域的计算分析对判断电机是否安全稳定运行至关重要。
关键词：电机定子;铁心片间;短路故障分析;解析法
1定子铁芯的简化模型
由于解析模型只适用于简单的板、壳或梁结构，因此首先需要对定子模型进行简化。本文提出了一种厚壳-梁耦合简化模型。去除定子表面的凹槽与齿上的圆角等细节。由于定子轭厚与半径比值较大，使用薄壳理论建模会有较大的误差，厚壳模型更加合理。轭上分布着若干齿，定子齿采用计入扭转变形的梁模型进行建模，以表达齿的弯曲和扭转刚度。由于齿宽度远小于定子周长，因此可以假设厚壳模型和梁模型间为线接触，接触线为P，本文建立的解析方法均基于此简化模型。

        2故障分析解析法
        本文提出了一种故障区域电气量参数的解析算法:将片间短路分为初始故障和完全故障两种情况，并同时考虑硅钢片电阻和电感对故障域参数的影响，使计算结果更为合理。其具体过程如下:考虑硅钢片中交变磁场的集肤效应，在三维直角坐标系下推导硅钢片磁场的解析式，建立有功功率与无功功率解析表达式;利用有功功率与无功功率解析式推导出单片硅钢片感应电压，并根据单片硅钢片等效电路分别建立初始故障和完全故障区域等效电路;根据故障域等效电路计算出相关电气量参数，定量分析故障片数对故障区域电气量参数的影响;最后，通过有限元仿真和片间短路故障实验验证其计算结果的准确性与求解方法的正确性。
        3电机定子铁心片间短路故障分析的解析法
        3.1初始故障等效电路。
        片间短路故障理论上可以在铁心的任意位置发生，但根据实际工况，可以大致分为两种初始情况:①铁心一侧存在绝缘故障，铁心磁通会在故障处感应出涡流电动势，进而产生故障电流，故障电流在故障区域流动并沿定位筋返回，如图4所示;②齿部对应两侧的绝缘漆遭到破坏，使得感应涡流通过故障点形成故障电流路径，如图5所示。以上两种情况中，故障区域硅钢片之间内部的绝缘漆仍然存在，硅钢片之间的电流通过两侧绝缘漆破坏位置或定位筋来流通。
        3.2解析法
        初始故障和完全故障的解析法计算结果与实验结果趋势相同:故障片数相同时，完全故障感应电压大于初始故障感应电压;随着故障片数增多，故障区域感应电压逐渐增大。从表3中还可以看出，解析法计算结果总是小于实验检测结果，出现这一现象的原因之一:解析计算中故障域等效电路忽略了单片硅钢片轴向电阻Ｒ1。此外，由于解析法中的假设条件以及实验过程中的某些因素，导致实验结果与解析法计算结果的误差较大，但趋势相同，并不妨碍算法在工程实际中的应用。
        解析方法快速计算电机定子铁芯的振动特性。提出了一种可考虑定子齿变形的厚壳-梁耦合简化模型，推导了耦合结构的能量变分方程，并使用Rayleigh-Ritz法求解了模态振型和固有频率。经验证，本文提出的解析方法计算得到的各阶模态的固有频率，与有限元仿真结果的相对误差在5%以内，满足工程计算的精度要求;若不考虑定子齿变形，低阶固有频率误差为12%，说明定子齿的影响不能忽略;所提解析方法省去了有限元计算时的建模与网格划分过程，提高了计算效率，可用于需快速预测定子振动噪声特性的电机初步设计阶段。
        3.3不同尺寸短路故障特征分析
        针对不同数量硅钢片的故障情况，仿真分析得到参考面的磁场强度如图6所示，随着故障数量的不断增加，故障位置对应的磁通密度被逐渐削弱，与解析结果一致。同时，故障位置的不对称严重影响了磁通密度在参考面上的对称规律，呈现从非故障区域到故障区逐渐减小的趋势，如图7，从z向可以直观的看到这种趋势。当长定子硅钢片全部发生短路故障时，参考面磁通密度恢复对称性，其大小减小约300Gs。针对长定子硅钢片短路时行波主漏磁场强度的变化及沿叠压方向的对称分布特征，可设计相应的故障检测系统，实现对定子片间短路故障的检测。
        3.4直流电机片间电阻
        大型直流电动机最关键的零部件是电枢，电枢按结构可分为电枢铁心、电枢线圈、换向器和轴等，其中最关键的是导电回路，导电回路是由数百个，甚至上千个电枢线圈、升高片、换向片焊接而成的复杂回路。研究这个复杂回路的关键是研究电枢的片间电阻，指换向片相邻不同片之间的电阻值，这个值是可以方便的测量的，在工厂制造过程中，通过测量片间电阻的方法对导电回路焊接质量进行检查，可以方便的发现焊接缺陷;但在电机试验中采用的计算方法却仍然没有统一。不同电枢导电回路的电路模型，但是基于当时的计算能力，都做了一定的简化，随着科学的发展和技术的进步，现在可以编制程序对电阻网络电路直接求解。
        每根螺杆提供的转子铁心压装力不一致，提供压装力小于要求值的螺杆的压装力接近要求值，提供的总压装力比要求值大，实际测量的总力矩值与铁心压缩量与压装力关系式计算的总力矩值具有较好的一致性，均说明风力发电机转子最终铁心片间压力值能够满足2～4N/mm2要求。油压机设定450kN、初始扭矩设定为230N·m就能保证泄压后的片间压力为2．1N/mm2，风力发电机转子铁心片间压力满足要求。利用图2形状的通风槽通止规检测通风槽宽度，检验结果表明，在转子铁心片间压力满足要求的前提下，通风槽宽度尺寸也满足要求，根据设计图纸，可算得LFe=802mm，测量泄压后铁心高度尺寸，算出铁心实际高度为816．71mm，利用公式(3)计算转子铁心叠压系数，可计算得叠压系数为0．982，满足设计需求。
        结束语
        设计相应的磁场检测系统，利用发生故障时行波主漏磁场测量值幅值大幅度下降的特点进行故障定位，再利用对称检测原理对发生短路叠片的数量进行估计，便于检修；根据结论2和3，对磁场检测系统进行合理性布局及抗干扰设计，实现利用行波主漏磁场的变化进行非接触地快速检测定位。
参考文献
[1]孟大伟,王晓慧.大型电机定子铁心片间短路故障分析[J].哈尔滨理工大学学报,2020,25(03):40-46.
[2]王晓慧.大型电机定子铁心故障分析与检测[D].哈尔滨理工大学,2020.
[3]曹海东,石文敏,黄苏融,张琪.铁心应力对永磁电机性能的影响[J].电机与控制学报,2019,23(03):88-96.