Calculation and analysis of unbalanced magnetic pulls of different stator winding setups in static eccentric induction motor

In large-scale electric machines, unbalanced magnetic pull （UMP） caused by eccentricity usually results in stator-rotor rub, so it is necessary to investigate the amplitude and the influencing factors. This paper takes the squirrel-cage induction motor as an example. A magnetic loop model of an induction motor is established by an analytical method. The impact of stator winding setup （parallel branch and pole pairs） on each magnetomotive force （MMF） and unbalanced magnetic pull is analyzed. Using the finite element simulation method, the spatial and time distribution of flux density of the rotor outer circle under static eccentricity is obtained, and the unbalanced magnetic pull calculation caused by static eccentricity is completed. The conclusion of the influence of stator winding on the size of unbalanced magnetic pull provides reliable gist for motor noise and vibration analysis, and especially provides an important reference for large induction motor design.

Analytical Identification of Magnetic Faults Induced by Material Properties and Mechanical Tolerance in PM Synchronous Motor

This paper presents an analytical model suitable for analyzing Permanent Magnet Synchronous motors. The difference between mass eccentricity and magnet eccentricity is described. The full derived vibration mathematical model incorporates both the electrical domain and mechanical domain. The shaft bending force, mass eccentricity exciting force, aerodynamic exciting force, and unbalanced-Magnet-Pull (UMP) are introduced in this three-dimensional motor model. The relative displacement between rotor and stator is calculated in order to avoid rotor to stator rub. The experiments were conducted with Laser Vibrometer for verifying the analysis results. The measurement results prove the effectiveness of the proposed analytic method.

不平衡磁拉力作用下无刷双馈电机的转子振动特性研究

无刷双馈电机长时间运行会出现转轴弯曲、轴承磨损等状况,导致气隙动偏心,并因此产生不平衡磁拉力,影响转子系统动力学特性。为了研究由不平衡磁拉力引起的转子振动特性问题,建立Jeffcott转子动力学模型,得出考虑不平衡磁拉力作用下转子系统的振动微分方程组,并对其自由振动响应进行了计算。以某型号无刷双馈电机的样机尺寸为例,分析气隙动偏心状态下电机气隙长度、转子材料及几何尺寸等对电机振动特性的影响,并利用Runge-Kutta法对振动微分方程组进行分析,结果表明:当转子动偏心率较小时,利用该转子系统的振动微分方程组计算出的解析解与数值计算结果吻合较好,转子的一阶振幅误差仅为0.2%,二阶振幅误差为2%,具有较高的精度且计算较为简便,为电机的高可靠运行提供理论支撑。

倾斜偏心对同步发电机转子力学特性的影响

气隙偏心是一种常见的发电机机械故障。已有研究主要关注正常和轴向气隙均匀偏心对转子受载和振动特性的影响,较少关注轴向气隙非均匀偏心,即转子倾斜偏心。作为补充,全面分析转子倾斜偏心状态下故障程度差异对同步发电机转子力学特性的影响。其中,转子力学特性包括转子不平衡磁拉力激励特性和振动特性。以一台5kVA的两极故障模拟发电机为研究对象,分别进行理论分析、有限元仿真计算和实验验证。结果表明:正常情况下转子不平衡磁拉力为零,转子振动频率以常规基频和定子传递的各偶次谐波为主。在转子发生倾斜偏心故障后,转子不平衡磁拉力/振动以二次谐波为主。随着偏心程度增加,转子不平衡磁拉力/振动的二次谐波幅值将增大。此外,转子不平衡磁拉力沿轴向非均匀分布,在气隙越小的位置不平衡磁拉力越大。

异步电机永磁悬浮轴承结构设计与动力学计算

为保证异步电机转子在永磁悬浮状态下仅有微摩擦特性,必须保证永磁轴承具有稳定的高势能状态。采用一个机械调心滚子轴承限定其转子轴向位移。基于气隙磁导及等效磁荷法计算出转子所受不平衡磁拉力,并给出永磁轴承定转子气隙、转子偏移、永磁轴承环数划分、气隙位置与径向刚度之间的关系,对上述参数进行优化以获得永磁轴承的最佳径向刚度,使永磁轴承能有效平衡电机转子所受的不平衡磁拉力。通过对转子涡动轨迹及临界转速进行分析,验证了异步电机永磁轴承悬浮结构可实现微摩擦悬浮。

兆瓦级高速永磁同步电机偏心状态下电机性能及转子振动特性分析

在电机运行过程中,气隙偏心是一种常见的故障状态,会危害到电机的安全可靠运行,而该问题在大容量高速永磁同步电机中更为严重。因此,本文以一台兆瓦级高速永磁同步电动机为例,研究了气隙偏心对电机电磁性能以及其引发的不平衡磁拉力对转子振动特性的影响。首先,推导了静、动以及混合偏心状态下的不平衡磁拉力表达式。然后,建立了各偏心状态下的电机有限元模型,定量分析了不同偏心程度所引发的不平衡磁拉力变化情况。在此基础上,计算了电机转子系统的动力响应,详细讨论了各种偏心对转子系统轴心轨迹和电磁性能的影响。结果表明,不同偏心状态下不平衡磁拉力存在明显差异,在混合偏心时动偏心会削弱静偏心对转子振动的影响,偏心将增加气隙磁密的偶次谐波且增大转矩脉动。

存在初始静偏心的储能飞轮转子动力学特性

以大功率储能飞轮转子系统为研究对象,探究电机转子存在初始静偏心时飞轮动力学特性的变化规律。首先使用能量法求出电机转子不平衡磁拉力(UMP)与转子偏心位移之间的关系,采用Timoshenko梁单元模型建立包含UMP的飞轮转子机电耦合动力学模型,计算分析电机转子初始偏心量和偏心方向对飞轮稳态和瞬态特性的影响,得出以下结论:随着偏心量的增大,上轴承处轴心轨迹出现嵌套圆环,频谱出现3种频率成分且幅值增大,升速响应曲线共振峰的峰值增大,对应转速减小;当偏心方向改变且旋转一周时,转频等成分的幅值、升速响应曲线共振峰值产生明显的周期规律变化。

不同故障下水轮发电机组轴系的振动特性研究

水轮发电机组的振动往往由水-机-电耦合因素引起,分析单一故障及多因素耦合故障下的轴系振动对机组稳定运行和厂房结构安全至关重要。采用四阶龙格-库塔法分别求解了不平衡磁拉力、碰摩力、非线性油膜力单独作用或耦合作用下的发电机和水轮机振动特性。结果表明,仅考虑不平衡磁拉力或仅考虑碰摩力时,轴系的运动特性主要表现为周期运动状态和拟周期运动状态;在多因素耦合作用下,轴系的运动特性将会变得更为复杂,表现为以拟周期运动和混沌运动为主,间歇性出现周期运动。研究结果可为水电站的安全、稳定、优化运行提供更多的理论依据。

考虑不平衡磁拉力的双馈异步风力发电机轴承外圈故障动力学建模

轴承故障会引起双馈异步风力发电机转子气隙变化,产生不平衡磁拉力(UMP)。为准确揭示双馈异步风力发电机轴承故障振动特性,开展了考虑UMP的双馈异步风力发电机轴承外圈故障动力学建模研究。首先,基于赫兹接触理论构建了轴承外圈故障模型;然后,推导了正常和轴承故障下发电机转子的气隙磁密,得到了发电机转子受到的UMP解析式;最后,采用Runge-Kutta法对模型进行求解,得到了轴承故障振动响应。试验分析表明:所提动力学模型能够有效揭示双馈异步风力发电机轴承故障振动信号的双冲击现象,UMP激励会影响风力发电机轴承外圈故障振动信号的调制特性。为风力发电机轴承故障诊断提供了新的理论参考。

含磁拉力及Alford力的磁悬浮转子动态特性分析

分析含开关磁阻电机不平衡磁拉力及压气机叶尖气流激励Alford力,且由磁悬浮轴承支承的多电航空发动机模拟转子系统的动态特性。基于Timoshenko梁理论及有限元方法建立模拟转子系统,在模型中引入12/8极三相开关磁阻电机的不平衡磁拉力及气流激励Alford力。计算结果表明,电机磁拉力会降低转子临界转速,但是存在Alford力时,电机磁拉力会提高转子稳定阈。Alford力和电机磁拉力会引入各种谐波、次谐波激励,并随转速使得转子呈现不同动态特性。改变磁悬浮轴承控制参数能改变转子平衡位置、运动轨迹和振幅,表明可以通过调节这些控制参数改变转子运动特性从而实现对发动机转子的主动控制。

低速永磁同步电机转子偏心的抑制措施

为了减小低速永磁电机转子偏心对电机性能及结构强度造成的危害,以一台210 kW低速永磁电机为研究对象,建立低速永磁电机转子偏心下的不平衡磁拉力(UMP)模型,基于对模型的分析,提出辅助槽法及车削法两种抑制措施,并对其抑制效果进行计算分析。首先,依据静偏心与动偏心的特点,对静偏心下在转子偏向侧开定子辅助槽、动偏心下在转子偏向侧开转子辅助槽进行研究,计算分析辅助槽位置、槽高、槽宽、槽数量对偏心下UMP的影响规律,找出辅助槽最佳尺寸参数,并对其抑制效果进行计算分析。其次,对车削法对混合偏心的抑制效果进行计算分析,并校验车削后电机的空载反电动势。结果表明,采用定子辅助槽可将静偏心下UMP减小49.8%,采用转子辅助槽可将动偏心下UMP减小47.2%,采用车削转子法可将混合偏心下UMP减小81.95%,抑制效果显著。

负载激励下采煤机永磁电机转子系统弯扭耦合振动分析

为分析不同负载激励对电机转子-轴承系统弯扭耦合振动特性的影响,以采煤机永磁电机转子系统为例建立电磁激励下的电机转子-轴承系统,并将负载激励考虑到偏心转子模型中。利用Lagrange方程推导了负载激励条件下转子系统的弯扭耦合动力学方程并基于Runge-Kutta法进行数值仿真,重点分析了不同负载激励下电机转子系统的弯扭耦合振动特性。仿真结果表明,负载激励会加剧转子偏心程度,但对转子弯曲振动的频率响应影响较小,振动响应主要由转频分量决定;而负载扰动对转子系统扭转振动响应具有不同的效果,不仅在扭振响应中激发出相应的频率成分形成多周期运动,还会明显增加扭振角幅值(0.001 rad),振动响应主要由扰动频率和二倍转频分量决定。此外,负载激励中的低频成分将激发出较大的扭转振动响应(0.03 rad),加速传动系统的疲劳损坏,影响转子系统的安全稳定运行。研究结果可为采煤机转子系统主动减振策略研究提供参考。

永磁同步电机匝间短路不平衡磁力分析

为获得永磁同步电机运行时的不平衡磁拉力,通常采用有限元进行数值运算,但有限元法耗时长,消耗大量的计算资源。为缩短电机设计时间,提出了一种计算永磁同步电机匝间短路故障下的不平衡磁拉力的理论模型,运用该动态故障模型计算匝间短路故障条件下不平衡力。模型主要根据绕组匝数的变化,利用绕组函数法求出电机故障前后的自感、互感和电阻,然后根据磁链方程、电压方程、转矩方程和机械运动方程求得电机电流波形,并通过电机电流、绕组和电机永磁体旋转产生的磁密波形推导了永磁同步电机受到的不平衡磁拉力。最后,通过对电机的瞬态有限元数值运算验证了所提出匝间短路状态下不平衡磁拉力计算理论模型的有效性。

倾斜偏心下轮毂永磁同步电机电磁力分析

为了研究倾斜偏心对轮毂永磁同步电机振动和噪声的影响,基于理论解析与有限元分析倾斜偏心下轮毂永磁同步电机的电磁力.根据轮毂电机实际工况进行受力分析,得到轴向不同位置处偏心量.基于二维周向静态偏心模型对比分析偏心前后电磁力波的来源、空间阶次及频率特征.对选取的某24极27槽轮毂永磁同步电机,通过建立倾斜偏心三维有限元模型,计算分析空间分布和时间历程的电磁力波以及三向不平衡磁拉力.结果表明:偏心后电磁力成分更为丰富;偏心率和倾斜角的增加不会影响电磁力的阶次和频率分布,但与低阶力波幅值和不平衡磁拉力幅值成线性关系,将加剧电机的振动.

隐极同步发电机转子匝间短路时转子不平衡磁拉力特征分析

考虑到转子匝间短路会在定子回路产生与极对数和定子绕组形式有关的偶数次和分数次不平衡电流分量,首先基于不平衡电流谐波分量产生的各次谐波磁动势,推导了转子在定子直角坐标系中不平衡磁拉力(UMP)的表达式,并根据故障时定、转子磁动势的特点,得到了故障后UMP的频率分量表达形式,形成了一套完整的故障时UMP特征分析方法。用该方法对不同极对数的隐极发电机样机转子匝间短路故障进行了分析,并通过基于ANSOFT软件的场路耦合计算得到了故障中转子电磁力的数值结果。仿真结果符合理论分析的UMP特征,验证了所提出的转子受力分析方法的正确性。理论分析与仿真结果均表明,不同极对数和定子绕组形式的发电机故障时转子UMP的谐波特征不同,为机电信息融合的转子匝间短路故障监测奠定了基础。

不平衡磁拉力及对偏心转子系统振动的影响

研究了电机中由于相对偏心引起的不平衡磁拉力对转子系统振动的影响。首先把气隙磁导展开为Fourier级数的形式,通过转子或定子表面的Maxwell应力积分得到非线性不平衡磁拉力的解析表达式。然后代入到转子系统的运动方程中,采用隐式非线性NEWMARK积分法计算系统在不平衡磁拉力和质量偏心力作用下的动力响应,详细分析了电机参数对偏心转子系统振动的影响。研究结果为旋转机械轴系的动力分析及设计提供了理论依据。

水轮发电机转子偏心引起的非线性电磁振动

由于机械和电磁相互耦合,水轮发电机的电磁振动具有强非线性特征。根据不平衡磁拉力与转子偏心的非线性函数关系,通过简化的各向同性的单圆盘转子系统,建立了水轮发电机转子电磁振动的非线性系统。利用非线性振动理论的多尺度方法,从理论上分析了该系统强迫振动的稳态响应,进而研究了水轮发电机转子偏心引起的电磁振动。研究发现不平衡磁拉力使系统的涡动频率下降,使运动的中心发生变化;并且会引起两倍转频的振动。最后用模型转子仿真试验的结果验证了这些理论分析的结论。

不平衡磁拉力作用下裂纹转子系统的分岔

针对大型旋转机械转子系统机电耦合具有强非线性特征的问题,根据磁拉力与转子偏心的关系,推导出不平衡磁拉力(Unbalanced magnetic pull,UMP)的解析式,建立UMP作用下裂纹转子—轴承系统的动力学模型,并采用数值积分方法研究此类裂纹转子的分岔与混沌特性。通过分岔图、Poincaré图和频谱幅值图分析UMP和裂纹深度对转子运动的影响,结果表明:UMP使转子系统随速度变化的典型动力学响应有所提前,振幅增大,幅值谱图中出现了连续幅值较大的谐波分量;随着裂纹深度的不断增加,转子系统在亚临界转速区出现了短暂的混沌运动,在临界转速附近的混沌区域不断减小,其混沌特征有所变化,且进入混沌区域的倍周期分岔运动基本消失,而在超临界转速区则出现了较长的周期7运动。研究结果为深入解析机电耦合转子系统故障机理提供有益的理论参考。

不同种类气隙偏心故障对汽轮发电机转子不平衡磁拉力的影响

结合理论推导和数值仿真计算分析了径向气隙偏心对汽轮发电机转子径向不平衡磁拉力及其振动特性的影响。首先通过分析气隙静偏心、气隙动偏心以及气隙动静混合偏心情况下气隙磁场的变化,分别推导得到不同气隙偏心所引起的转子径向不平衡磁拉力表达式,并分析了转子的振动特征,然后利用电机有限元软件Ansoft Maxwell建立了实验室SDF-9型隐极故障模拟发电机的二维模型,计算得到了转子水平及竖直方向的径向不平衡磁拉力变化情况,并与理论分析和部分实验振动响应进行了对比,结果基本吻合。结果表明,气隙静偏心将产生二倍频不平衡磁拉力作用于转子上;气隙动偏心根据转子表面凹凸数量分为合外力为零及合外力不为零两种情况,当合外力不为零时,将产生一倍频不平衡磁拉力作用于转子;气隙动静混合偏心将同时产生一倍频和二倍频不平衡磁拉力作用于转子上(考虑动偏心时合外力不为零的情况)。同时随着偏心程度的增大,不平衡磁拉力也随之增大。

电动车用永磁同步电机转子偏心对电磁力影响分析

针对电动车用永磁同步电机转子偏心问题,对偏心对电磁力的影响进行研究.通过解析法和有限元法建立电机偏心电磁力以及不平衡磁拉力模型,分析静动态偏心对电磁力的影响,得出静动态偏心会增加±1阶电磁力成分,并分别产生0Hz和f/p的不平衡磁拉力,且不平衡磁拉力成分随偏心率呈线性变化.这就为分析电动车用电机的振动和噪声激励源奠定了基础.