2.2.3 气隙偏心和绕组匝间短路故障下的机电特性

目前，大部分文献侧重于此类故障下的发电机的电磁特性及定转子铁心振动特性研究，对于气隙偏心及定转子绕组匝间短路时端部绕组的电磁力及机械响应研究则相对较少。轻微的绕组匝间短路和气隙偏心现象出现时，电机仍然可以运行较长的一段时间，因此此类机电故障经常被忽略。但随着短路和偏心程度的加剧，电机的机电特性会产生可观的变化。

1.气隙偏心故障下的机电特性

气隙偏心故障导致了气隙磁密不同，这为使用磁场检测线圈来诊断气隙偏心故障提供了理论依据。WANG H F等针对感应电机，分析并验证了使用磁场检测线圈区分偏心故障的可行性；阚超豪等针对无刷双馈电机，利用解析法分析了其在正常情况与故障情况下的气隙磁场，得到了谐波特征，并且通过在有限元软件中建立的电机以及检测线圈的模型，验证了磁场检测线圈监测磁场谐波特征的有效性；武盾针对永磁同步电机进行分析，利用磁场检测线圈的感应电动势作为故障特征量，同时还对故障时检测线圈上感应电势的谐波情况进行了研究，从而实现对永磁同步电动机气隙偏心故障的诊断。

更进一步，不均匀的气隙磁密会导致铁心表面不平衡的磁拉力并产生振动。ZHANG G Y等发现，转子偏心时会造成磁场畸形，导致转子不平衡磁拉力增大，且其方向会随着偏心角度的改变而发生偏移；武玉才等通过有限元软件对水轮发电机和汽轮发电机的转子动、静偏心情况进行了计算，分析了偏心程度对不平衡磁拉力大小和方向的影响，并在一定的偏心程度下分析了发电机有功、无功功率变化对不平衡磁拉力的影响；MICHON M等基于气隙磁场2D分析技术的简单修改，提出了一种预测永磁无刷电机不平衡磁拉力的方法；何玉灵等分析了气隙偏心故障下汽轮发电机的不平衡磁拉力，讨论了振动幅度与气隙偏心故障程度的关系，提出了一种应用汽轮发电机定子通频振动烈度与特定频率成分振动幅值比对来鉴定气隙偏心故障程度的方法，能较为客观地鉴定出发电机偏心故障程度；GUO D等推导了三相同步发电机静偏心引起的不平衡磁拉力解析式，并分析了转子的振动响应；HAWWOOI C等对双馈发电机气隙偏心情况下的不平衡磁拉力进行了推导并提出了抑制的方法。另外，气隙静偏心故障下电磁转矩也会发生变化，径向偏心会造成电磁转矩频率成分的增加及各次谐波幅值的增大，而轴向偏心与此相反。同时，偏心后定转子绕组直线段的电磁力在气隙变小处增大，在气隙增大处变小。XU M X等对不同种类偏心故障，尤其是动偏心以及复合偏心故障对于双馈发电机端部绕组的振动特性进行了定性的分析；HE Y L等还对定、转子整体受偏心故障影响的振动特征进行了分析。

此外，气隙偏心故障还会表现在电气量中，定子绕组上会产生感应谐波和并联支路环流，转子上会产生轴电压，也为气隙偏心故障诊断提供了依据。如MERABET H等建立了正常以及混合偏心故障下双馈发电机的数学模型，并在MATLAB/Simulink平台中进行了仿真，结果表明气隙混合偏心故障会体现在定子电流中；武瑞兵考虑到电机低频运行时发生故障的特征频率与电源频率之间的差值较小，采用传统的3层小波包分解法不能满足频率细化的要求，因此对电机在正常和故障两种运行状态下的定子电流信号进行了8层小波包分解，细化了电机电流低频段序列，提取出能够较为准确反映电机故障的特征向量；左志文等提出了一种针对感应电动机定子电流包络线的Morlet小波分析新方法，有效消除了频谱泄漏和噪声干扰的影响；何玉灵等采用解析法进行了理论推导和实验验证，得到了气隙偏心故障对定子绕组并联支路环流的影响；李永刚等通过使用Ansoft有限元分析软件对调相机建模分析，也指出了气隙偏心对于并联支路环流特性的影响；此外，ZHOU Y等还分析了不同种类的偏心故障对于不同并联支路数电机的影响。同时，刘飞等发现偏心会导致定子电流特征频率幅值的增大，并提出了一种基于电流信号的偏心检测方法；EHYA H从电压电流的谐波成分、效率、温度、电磁转矩波动4方面对偏心检测方法进行了汇总。

2.匝间短路故障下的机电特性

同样，转子绕组匝间短路也会造成磁场的畸形，并进一步引发铁心的不平衡磁拉力及振动。

电磁特性方面，武玉才等通过端部漏磁通在线检测的方法，发现发电机发生内部匝间短路故障时，气隙磁动势会出现新的频率成分。基于此原理，孙宇光等发明了一种新型探测线圈，用于匝间短路故障的识别，当转子绕组匝间短路时，探测线圈端口电压出现偶数次或分数次谐波，而定子绕组匝间短路时，端口电压只包含奇次谐波。转子绕组匝间短路后气隙磁动势的变化又会引起转子表面磁拉力的频率变化，这种变化与短路后的定子电流频率及转子的极对数有关。

另外，在机械特性方面，电机的实际电磁功率与虚功计算值之间的差会随着转子匝间短路的发生而增大。而当定子绕组匝间短路时，转子的平均电磁转矩会减小。为避免转子绕组匝间短路可能带来的恶性故障和严重经济损失，LI Y G等提出了BP神经网络和在线监测的方法来识别转子绕组匝间短路；万书亭等提出一种基于定转子振动特性的复合诊断方法来确定转子绕组匝间短路的位置和程度。

3.复合故障下的机电特性

在复合故障方面，何玉灵等针对汽轮发电机和双馈式风力发电机分析了气隙动静偏心与定转子绕组匝间短路组成的各种机电复合故障下并联支路内部环流的电势差、电磁转矩特性和不平衡电磁力。除此之外，学者们还研究了气隙偏心和定转子绕组匝间短路时励磁电流、磁密、定子电流、电压等。

可见，现有文献对气隙偏心和匝间短路故障下定子端部绕组电磁力和振动特性的研究较少。有文献发现绕组电磁力的偶数倍频成分的增幅会随着定子绕组匝间短路程度的增加而变大；当气隙静偏心和定子绕组匝间短路同时出现时，短路匝中心与最小气隙位置越近，线圈的电磁力幅值越大；转子匝间短路会造成定子绕组电磁力奇数倍频成分幅值的增加。以上结论忽略了极对数对短路匝反向磁动势的影响，因此应用受到限制。