永磁交流发电机的故障与控制措施

永磁交流发电机的故障与控制措施

万聪1,2，席胜1,2，罗大辉1,2，陈思洁1,2,,施道龙1,2

（1.贵州航天林泉电机有限公司，贵阳550081；

2.航空航天精密微特电机技术重点实验室，贵阳550081）

摘要：在永磁交流发电机的应用中，发电机过热、轴承失效和电机扫堂都是其典型故障。为实现这些典型故障的有效控制，保障永磁交流发电机的良好运行，本文特对其主要故障与控制措施进行分析。包括永磁交流发电机的主要工作原理、常见故障及其主要原因、故障控制措施。以此来为此类发电机的故障检修提供参考。

关键词：永磁交流发电机；工作原理；故障原因；控制措施

1引言

在研究永磁交流发电机的故障及其控制措施时，研究者首先需要明确其主要的工作原理，再以此为依据，对其常见故障及其主要原因进行分析，然后再结合实际的故障情况，采取合理的措施加以控制。通过这样的方式，才可以实现此类发电机故障的有效控制，满足其实际应用需求。

2永磁交流发电机主要工作原理

永磁交流发电机的主要组成部分有两个，其一是定子，其二是转子，定子与转子之间一般用轴承连接。定子的主要组成部分有定子铁芯及定子绕组，定子铁芯由薄硅钢片叠压而成，硅钢片之间浸渍绝缘漆，该方法可以减小铁芯中的涡流损耗；转子的主要组成部分有轴、磁轭、永磁体、转子护套等，护套同于保护永磁体在离心力的作用下不被甩出。发电机的工作原理为，瓦状永磁体产生恒定磁场，拖动设备带动发电机轴旋转，形成旋转磁场，定子中的绕线切割磁场产生接近正弦波的感应电动势。

3常见故障及其主要原因分析

就目前机械领域中应用的永磁交流发电机来看，其常见的故障主要有三种，分别是发电机过热、轴承失效以及电机扫堂。以下是对这三种常见故障及其主要原因所进行的分析。

3.1 发电机过热

在永磁交流发电机的实际应用过程中，发电机过热故障十分常见。此类故障的初期表现是轴承或壳体发热。随着故障的不断发展，发电机的永磁体和铜线受高温影响，电机的效率将会逐渐降低，严重的将导致永磁体退磁或电机烧毁。发电机内部的热源主要有以下两个：1）定子铁芯中的涡流损耗，涡流损耗与定子中磁场的交变频率以及磁密有关[1]，较大的频率和磁密都将会增加涡流损耗，涡流损耗将以热的方式与外界交换能量，从而导致电机温度升高；2）绕组铜损，电机带载时绕组铜线内会有电流通过，将会导致铜线发热，较大的电流密度会使电机发热严重。

3.2 轴承失效

轴承是影响发电机寿命最严重的零件之一，轴承失效发生率较高，故障类型包括磨损失效，疲劳剥落断裂失效等[2]，这些故障基本都与轴承的温度有关，轴承高速旋转发热，引起发电机腔内温度升高，尤其是自然冷却电机，轴承温度的升高导致轴承润滑脂加速挥发，油脂挥发也会导致轴承润滑效率降低，从而又导致轴承温度升高，恶性循环，最终导致轴承失效。轴承润滑脂溢出情况如图1和图2所示。

图1 轴承润滑脂溢出               图2轴承盖上的轴承润滑脂

3.3 电机扫堂

电机扫堂是永磁交流发电机应用中的一种典型且严重的故障，其主要表现是定子和转子互相摩擦，严重时转子会将大面积的定子槽齿扫倒，从而使定子损坏，甚至导致发电机报废[3]。经分析发现，电机扫堂故障的主要原因包括以下几种：1）轴承磨损严重。2）异物进入到了定子腔内。3）前后端盖轴承台磨损严重。4）前后端盖有变形或裂纹情况，使转子和定子同心度受到影响。5）前后端盖装配不当或止口磨损。6）转子轴弯曲。7）配合轴承内圈的轴颈磨损严重。8）发电机拆卸时转子局部因碰撞而发生了变形。9）坏绕组拆除时定子铁芯因受到冲击而发生变形。图3和图4分别为某扫堂电机定子和转子实拍图。

图3 某扫堂电机定子                   图4 某扫堂电机转子

4常见故障控制措施分析

对于永磁交流发电机实际运行中的常见故障，检修技术人员需根据其故障原因，结合实际情况，采取合理的措施来加以控制。以下是对其常见故障主要控制措施所进行的分析。

4.1 发电机过热控制措施

针对永磁交流发电机运行中的过热故障，具体控制中，可从以下几个方面入手：1）设计人员在设计发电机时，发电机要求发电转速较高时尽量减少电机的极对数，以降低定子内部磁场的交变频率，从而达到减小涡流损耗的目的；2）适当增大磁通路面积，避免在铁芯内形成磁饱和；3）在条件允许的情况下，尽量采用强制冷却的方法对电机进行散热，如采用内部滑油冷却、强制风冷等；4）减小电流密度，电机铜耗在电机损耗中占比最大，因此其产生的热也最多，一般小型交流发电机的电流密度在8~12A/mm²内较为合适，自冷却的电机一般取10A/mm²以下的电流密度。

4.2 轴承失效控制措施

对于永磁交流发电机中的轴承失效问题，具体处理中，首先需要检查其润滑脂情况，看润滑脂是否充足，若不足应及时补充；同时应看润滑脂内是否存在污染物，如存在，需及时更换润滑脂，进一步检查密封效果，及时做好密封器件的更换。其次是控制好发电机中的轴承牌号，尽量选择耐高温轴承，以此来降低高温对轴承的不良影响。最后，可将滑油冷却器安装到发电机轴承润滑系统油路上，使轴承温度得到良好控制，以免轴承温度过高所导致的轴承失效故障。通过这样的方式，才可以让此类发电机的轴承失效故障得到良好控制，确保轴承与整体发电机的正常运转。

4.3 电机扫堂

对于永磁交流发电机运行中的电机扫堂故障，在分体式发电机中出现的频率较高。电机扫堂可通过以下几项措施来加以控制：1）对于整体式电机，定期检查轴承磨损情况，如果严重应及时更换；2）如果有异物掉进了定子腔，应及时将其清除，并分析异物进入的主要原因，再结合实际情况做好预防处理；3）严格控制电机转子的动不平衡量以及转子外圆对轴承挡的跳动，以控制电机运行时的振动，防止振动疲劳导致电机扫堂；4）对于分体式电机，在设计时应考虑定子的定位，在机壳上增加定位销与安装法兰盘进行精准定位，保证电机安装好后气隙均匀，可以防止转子因周向受力不均导致电机扫堂；5）对于分体式电机，在设计时尽量减小转子的轴向长度，因为分体式电机没有轴承，轴伸尺寸太大，在转子运行过程中会将动不平衡量放大，也可能导致电机扫堂。

5结论：

   综上所述，永磁交流发电机是目前机械工程领域中的一种主要机电设备。但是在此类发电机的实际应用中，如得不到合理控制，便很容易出现一些故障，比如发电机过热、轴承失效或电机扫堂等。这些故障的发生不仅会对永磁交流发电机的应用效果产生不利影响，也会缩短其使用寿命。基于此，设计人员一定要明确其常见故障及其主要原因，并以此为依据，结合实际情况来加以控制。通过这样的方式，才可以让永磁交流发电机得以正常运行，并进一步提升其应用效果，延长其使用寿命。

参考文献：

[1] 辜承林，陈乔夫，熊永前 《电机学》（第三版）[M]华中科技大学出版社.2010-1-1.

[2] 曲弋,MW级风力发电机关键部件振动分析与故障诊断方法研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2012.

[3] 闫永生,赵建锋,王玉波.永磁交流发电机的工作原理及故障分析[J].山东农机化,2021(04):41.

内置式起动发电一体机研制（编号：XXXX-2022-114）.

高压无刷永磁起发电机（编号：2209WZ0003_1）.