笼条缺陷引发感应电动机多元参数变化规律与故障程度关联性的研究

目前国内外对感应电动机转子断条故障的研究大多基于传统解析分析方法，未考虑到故障引起的电磁、温度、热应力等变化。通过综合物理场研究，可以真实反映故障引起的转子局部过热、磁应力过于集中、振动噪声、气隙磁场附加谐波等实际情况。由于电机故障运行时各场量的研究存在一定难度，目前这方面研究工作尚未有深入开展。.本项目基于电机综合物理场，对笼型感应电动机转子断条故障问题进行深入研究。建立故障特性分析的仿真实验平台，探讨转子故障的随机有限元预测方法；给出不同工况、不同断条根数及不同断条相对位置等多因素影响下，电机运行性能随故障演化而变化的规律，从而揭示过去转子绕组故障程度判据中存在的某些局限性；从系统角度出发，通过电磁、温度、结构、热应力、振动噪声等多领域协同仿真分析，获取有效故障特征量，提出不同于传统故障诊断技术的新方法。

本项目基于电机综合物理场，完成了项目任务书中关于笼型感应电动机转子断条故障问题的全部研究工作。基于试验及仿真计算分析，研究了电机故障前后气隙磁密中谐波成分随转子故障演化的趋势，通过对故障前后气隙磁密三次谐波这一较为明显的故障特征分量的有效提取，为电机稳态运行条件下转子断条故障的在线检测提供理论基础及故障诊断新方法。给出了在不同工况、不同断条根数及不同断条相对位置等多因素影响下，电机运行性能随故障演化的规律及预测断条故障发展趋势。通过研究发现了断条位置的影响往往比断条根数的影响更大，从而揭示了过去人们试图把定子电流中故障特征量的大小作为电机转子断条根数多少的判据的局限性。定量的给出了恒定负载下转子断条数目及相对位置对电机定转子温度场分布的影响。通过引入有效导热系数的概念，解决了气隙内流体场和温度场相互耦合的问题，简化了定转子之间复杂的热交换过程，为同类电机温度场分析提供理论依据和计算方法。利用转子温度场结果对转子热应力进行求解，根据热应力分布结果对笼条结构进行了安全系数计算，给出了推荐使用的脆性材料强度准则，提出了基于热应力载荷下笼条可能出现断裂的位置。采用麦克斯韦张量法与洛仑兹力法相结合的方式，充分考虑了提高电磁力计算精度问题，利用磁场分布结果计算了作用在转子上的电磁力密度分布，根据三类电磁力密度分布特征和变化规律，总结了各类磁应力的作用集中区域，并且预估了轻微故障电机进一步可能发生断条的位置。利用加速度频响函数的幅值和相角很好的判定了试验测得的定子二阶固有频率是否为轴向阶数为零的径向固有频率。通过对整机的模态计算和试验研究发现机壳增大定子固有频率的同时也增加了固有频率的个数，转子及电机端部绕组对整机和定子模态的影响很小。综合运用二维快速傅里叶变换、频谱分析比值校正等方法对电磁力波的阶数、频率和幅值进行了详尽计算和分析，得出了电机断条前后电磁力波的变化规律。以此为基础，分别对健康电机和断条故障电机进行瞬态动力学响应计算，提取电机机壳上方某点的振动位移并对其进行频谱分析，最后找出由转子断条故障引发的振动特征量。