CN104079118B - 一种模拟气隙偏心故障的动模发电机组和模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟气隙偏心故障的动模发电机组，包括固定底架、直流驱动电机、模拟发电机和连轴器，所述直流驱动电机和模拟发电机设置在固定底架上，直流驱动电机通过连轴器连接至模拟发电机；所述模拟发电机包括转子和定子，转子通过轴承座固定在固定底架上，还包括轴向调整机构、径向静偏心调整机构和径向动偏心调整机构。所述动模发电机组能够模拟不同程度的二维气隙偏心故障和三维气隙混合偏心故障，实际操作直观、方便，为气隙偏心故障的模拟奠定了实验基础，有利于对气隙偏心故障进行分析和研究。

Description

一种模拟气隙偏心故障的动模发电机组和模拟方法

技术领域

本发明涉及发电技术领域，特别是一种可模拟气隙偏心故障的发电机组和模拟方法。

背景技术

发电机是关系国民经济生产的重要基础设备，由于制造、运行等诸多因素，大多数发电机都存在气隙偏心的状况。气隙偏心是指定子与转子间气隙存在一定程度的不均匀。气隙偏心包括气隙轴向偏心和气径向隙偏心（两者均存在称为三维气隙混合偏心），其中气隙径向偏心又包括静偏心、动偏心，以及动静复合偏心。气隙径向静偏心是指偏心后径向最小气隙位置固定不变的偏心，例如由于导轴承偏移、定子铁芯变形所造成的气隙径向偏心即属于静偏心。气隙径向动偏心是指偏心后径向最小气隙位置会随着转子的旋转而发生变化的偏心，例如，转子表面圆度不齐所造成的径向偏心即属于动偏心。动静复合偏心是指既有径向静偏心同时又有径向动偏心。目前通常所说的气隙偏心大多是指二维气隙偏心，即径向偏心，所报道的关于气隙偏心故障的研究也大多针对气隙径向偏心。而事实上，除了径向气隙存在不均匀外，气隙在轴向方向上也会存在不均匀的情况，即轴向气隙偏心，例如转子由于各种原因产生了轴向位移，导致定转子间磁感线有效切割区域的气隙一侧多另一侧少，从而形成轴向气隙偏心的情况，在水轮发电机中，轴向气隙偏心比较常见。

气隙偏心故障会使发电机轴承的工作情况恶化，加剧定转子振动，导致定子铁芯变形、绕组磨损和绝缘破坏等危害。现阶段针对气隙偏心故障的研究大多基于理论计算或计算机模拟仿真，没有可以同时对气隙径向动静复合偏心及轴向偏心故障进行模拟的实验机组，因此无法对三维气隙混合偏心故障进行模拟，不利于对气隙偏心故障的分析、研究和预防。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服已有技术之缺陷，提供一种模拟气隙偏心故障的动模发电机组，它能够直观、方便地模拟不同程度的气隙径向偏心故障、气隙轴向偏心故障，以及三维气隙混合偏心故障，从而为气隙偏心故障的分析、研究和预防提供基础。

本发明所述技术问题是以下述技术方案实现的：

一种模拟气隙偏心故障的动模发电机组，它包括固定底架、直流驱动电机、模拟发电机和连轴器，所述直流驱动电机和模拟发电机设置在固定底架上，直流驱动电机通过连轴器连接至模拟发电机；所述模拟发电机包括转子和定子，转子通过轴承座固定在固定底架上，所述动模发电机组还包括径向调整机构。

上述模拟气隙偏心故障的动模发电机组，所述发电机组还包括轴向调整机构，所述轴向调整机构包括设置在固定底架上的导轨运动台，导轨运动台上设置水平导轨和与水平导轨平行的等间距排列的定位孔，定子通过定子定位螺栓固定在导轨运动台上；定子定位螺栓与不同定位孔配合时，定子相对于转子产生不同程度的轴向位移。

上述模拟气隙偏心故障的动模发电机组，所述径向调整机构包括径向静偏心调整机构和径向动偏心调整机构。

上述模拟气隙偏心故障的动模发电机组，所述径向静偏心调整机构包括竖直导轨、起盖螺钉和千分表测量装置，所述竖直导轨设置在导轨运动台与固定底架之间；导轨运动台的四个角分别安装起盖螺钉，导轨运动台和固定在导轨运动台上的定子通过起盖螺钉沿竖直导轨产生径向位移，径向位移量通过千分表测量装置进行测量。

上述模拟气隙偏心故障的动模发电机组，所述千分表测量装置包括千分表和千分表支架，所述千分表通过千分表支架固定在固定底架上，千分表测头顶在导轨运动台的上表面。

上述模拟气隙偏心故障的动模发电机组，所述径向动偏心调整机构包括设置在转子上的偏心楔条、限位卡环和端部螺母，所述偏心楔条对称嵌装在两个转子大齿中间铣出的偏心槽内，偏心楔条通过汽端侧的限位卡环和端部螺母实现轴向固定，通过其本身与偏心槽之间的梯形截面配合实现径向固定；偏心楔条有三组，每组为对称的两条，偏心槽中嵌装不同组数的偏心楔条，转子将产生不同程度的径向动偏心。

上述模拟气隙偏心故障的动模发电机组，所述两个偏心槽设置在转子的两个大齿中间，两者呈对称布置，偏心槽靠近圆心侧的宽度大于远离圆心侧的宽度；三组偏心楔条与偏心槽的形状相对应。

一种利用上述动模发电机组进行气隙偏心故障模拟的方法，

（1）、通过轴向调整机构模拟气隙轴向静偏心的方法为：卸下定子定位螺栓；推动定子沿水平导轨移动，定子相对转子产生轴向位移，位移量与需设置的气隙轴向静偏心故障程度成正比；安装定子定位螺栓固定所设置的位移量；

（2）、通过径向静偏心调整机构模拟气隙径向静偏心的方法为：卸下用于连接导轨运动台与固定底架的固定螺栓；拧动四枚起盖螺钉，使导轨运动台和定子沿竖直导轨移动，并使四个千分表具有相同的读数，移动的竖直位移量与需设定的气隙径向静偏心故障程度成正比；安装固定螺栓对所设置的位移量进行固定；

（3）、通过径向动偏心调整机构模拟气隙径向动偏心的方法为：卸下汽端侧的限位卡环和端部螺母；根据需要从两个偏心槽中对称拉出不同组数的偏心楔条；安装限位卡环和端部螺母；

（4）、模拟三维混合气隙偏心故障的方法为：组合设置轴向调整机构、径向静偏心调整机构和径向动偏心调整机构，来模拟气隙径向动静复合偏心故障和气隙三维混合偏心故障。

本发明可对不同程度的发电机气隙轴向静偏心、气隙径向静偏心、气隙径向动偏心、气隙径向动静复合偏心、气隙径向与轴向三维混合偏心故障进行模拟，模拟操作简单方便，模拟过程直观、可靠，提高了研究气隙偏心故障实验的可行性，同时填补目前动模实验领域在对发电机气隙偏心故障模拟上的欠缺和不足，为该类故障的实验研究奠定基础。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2 是本发明固定底架与导轨运动台的连接结构示意图；

图3 是本发明千分表测量装置的结构示意图；

图4是转子本体的结构示意图；

图5是转子剖面的结构示意图；

图6是三组偏心楔条的组成示意图；

图7是转子的装配结构示意图。

图中各标号清单为：1、固定底架；2、转子；2-1、偏心槽；2-2、转子大齿； 2-3、卡环配合槽；2-4、螺纹面；2-5、转子齿槽；2-6、转子小齿；2-7、励磁绕组；2-8、滑环；2-9、碳刷；2-10、偏心楔条；2-11、限位卡环；2-12、端部螺母； 3、定子；4、轴承座；5、定位孔；6、连轴器；7、直流驱动电机；8、定子定位螺栓；9、地脚螺栓；10、千分表支架；11、千分表；11-1、千分表测头；11-2千分表固定杆；12、限位柱；13、竖直导轨；14、起盖螺钉；15、水平导轨；16、导轨运动台；17、固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括固定底架1、直流驱动电机7、模拟发电机、导轨运动台16、连轴器6、轴向调整机构、径向静偏心调整机构和径向动偏心调整机构。其中直流驱动电机7和模拟发电机固定安装在固定底架1上，固定底架1再通过地脚螺栓9固定在实验室地面上。导轨运动台16通过固定螺栓17连接在固定底架1上。直流驱动电机7与模拟发电机之间通过一对连轴器6连接，直流驱动电机7带动模拟发电机的转子旋转。模拟发电机包括转子2和定子3，转子2通过轴承座4固定在固定底架1上，定子3通过定子定位螺栓8连接在导轨运动台16上。本发明通过轴向调整机构、径向静偏心调整机构和径向动偏心调整机构来模拟气隙轴向静偏心、气隙径向静偏心、气隙径向动偏心，以及这三者或这三者中的任意两者所构成的混合偏心。

如图1和图2所示，轴向调整机构包括导轨运动台16及在导轨运动台16上设置的两条水平导轨15和定位孔5，每一条水平导轨15的一侧分别设置与其平行的定位孔5，定位孔5为一排等间距排列的螺纹孔。与定位孔5配合的定子定位螺栓8将定子3固定在导轨运动台16上。定子定位螺栓8与不同定位孔5配合，定子3相对于转子2产生不同程度的轴向位移。

所述径向静偏心调整机构包括竖直导轨13、起盖螺钉14和千分表测量装置，其中竖直导轨13设置在导轨运动台16与固定底架1之间，竖直导轨13有四副，分别设置在导轨运动台16四个角的端面处。在导轨运动台16的四个角上分别安装起盖螺钉14，拧动起盖螺钉14，可以使导轨运动台16和固定在导轨运动台16上的定子3沿竖直导轨13产生径向位移。导轨运动台16上还配有全螺纹的固定螺栓17，调整好径向位移后，用固定螺栓17将导轨运动台16和固定底架1固定连接在一起。移动的位移量通过千分表测量装置进行控制。如图3所示，千分表测量装置包括千分表11和千分表支架10。四个千分表支架10分别固定在起盖螺钉14附近的固定底架1上（如图1所示），千分表11通过螺栓­-螺母副连接在千分表支架10上，千分表11上方的千分表固定杆11-2顶在千分表支架10悬臂梁的下表面，千分表测头11-1顶在导轨运动台16的上表面。考虑到发电机组在运行过程中产生振动，在导轨运动台16的四个角旁边还设有四根限位柱12，对导轨运动台16的 Y方向位移进行限位。

如图4、图5、图6和图7所示，径向动偏心机构包括设置在转子2上的偏心楔条2-10、限位卡环2-11和端部螺母2-12。转子2的圆周面上分布有转子大齿2-2和转子小齿2-6，小齿之间为转子齿槽2-5。相邻转子小齿2-6之间的转子齿槽2-5内嵌装励磁绕组2-7和用于固定绕组的填充物。在两个转子大齿2-2中间铣出偏心槽2-1，偏心槽2-1为对称的两条。偏心楔条2-10嵌在偏心槽2-1内。偏心槽横截面的形状近似为等腰梯形，靠近转子圆心的一侧较宽，远离圆心的一侧较窄。偏心槽2-1从汽端侧（直流驱动电机一侧）开始延伸，直至距离励端侧（滑环2-8与碳刷2-9一侧）端面约有6mm的长度处，偏心槽2-1不贯通整个转子，是为了使偏心楔条2-10在励端侧进行轴向定位。汽端侧转子的过渡轴段表面为螺纹面2-4，螺纹面与端部螺母2-12相配合。在螺纹面2-4上与偏心槽2-1相同的周向位置处开有两个卡环配合槽2-3，偏心楔条2-10嵌装入偏心槽2-1后，在汽端侧嵌入限位卡环2-11并拧上端部螺母2-12，用于实现偏心楔条在汽端侧的轴向固定（如图7）。偏心楔条的材料与转子本体的材料相同，与每一个转子大齿配合的偏心楔条2-10有三组（如图6）。三组偏心楔条组合在一起的截面形状与偏心槽截面形状相似。三组偏心楔条相当于将偏心槽2-1中铣下的材料从径向等分为三部分。两个偏心槽2-1中嵌装不同组数的偏心楔条2-10，转子2将产生不同程度的气隙径向动偏心。

下面对本发明的工作过程做进一步说明：

（1）气隙轴向静偏心故障的模拟

发电机的转子2通过轴承座4固定在固定底架1上保持不动，定子3用四枚全螺纹的定子定位螺栓8连接在导轨运动台16上（定子定位螺栓8的螺纹有效长度小于等于定子3底部固定区域厚度与导轨运动台16的厚度之和）。导轨运动台16上设的两条水平导轨15与定子3的底面相配合。定子3可沿水平导轨15相对于转子2作一定的轴向（X方向）位移，并通过定子定位螺栓8与导轨运动台16上定位孔5的配合来对此轴向位移进行保持和固定。当定子3固定于导轨运动台16不同的定位孔5时，所模拟的轴向气隙偏心故障程度也不相同。

模拟气隙轴向偏心的具体步骤为：

a、松开用于连接定子3和导轨运动台16的四枚定子定位螺栓8；

b、推动定子3沿水平导轨15产生一定的轴向位移量，此位移量与需设置的气隙轴向静偏心故障程度成正比；

c、拧紧四枚定子定位螺栓8，将所设定的轴向位移量进行保持和固定。

（2）气隙径向静偏心故障的模拟

导轨运动台上配有四枚起盖螺钉14，拧动起盖螺钉14，导轨运动台16和固定在导轨运动台上的定子3作为一个整体沿着四条竖直导轨13做垂直运动，使定子3相对于转子2产生竖直方向的径向位移，来模拟气隙径向静偏心故障。径向位移量是通过千分表测量装置来控制的，拧动起盖螺钉14时，使四个千分表11的读数相同，即导轨运动台16的四个角向上移动的位移量相同。

模拟气隙径向静偏心的具体步骤为：

a、松开用于连接导轨运动台16和固定底架1的四枚固定螺栓17；

b、拧动四枚起盖螺钉14，使导轨运动台16和定子3沿竖直导轨13相对于转子2产生一定的径向位移（Y方向），位移量与设定的气隙径向静偏心程度成正比。此过程中需保证四个千分表11具有相同的读数；

c、安装固定螺栓17，使导轨运动台16与固定底架1固定在一起，并对上步所设定的气隙径向静偏心值进行保持和固定。

（3）气隙径向动偏心故障的模拟

通过汽端侧的限位卡环2-11和端部螺母2-12实现对偏心楔条2-10的轴向定位。由于偏心楔条2-10与偏心槽2-1的横截面都近似于等腰梯形，通过两者的结构配合实现对偏心楔条2-10的径向定位。当所有偏心楔条均嵌入偏心槽时，转子大齿处等效于正常转子。模拟径向动偏心时，需要从转子2中取出不同组数的偏心楔条，这时定转子间的径向气隙长度在偏心槽2-1所在的部位比转子表面其它部位大，而且这两处径向气隙较大部位相对于定子的周向位置会随着转子的转动而发生变化，从而实现对气隙动偏心故障的模拟。从偏心槽中取出的偏心楔条组数不同时（可根据需要取出一组至三组，每组为对称的两条），所模拟的动偏心故障程度也不同，取出一组时所模拟的动偏心故障程度最为轻微，两组次之，三组最为严重。偏心楔条的取出应遵循从外到内、从小到大的原则，例如：仅取出一组偏心楔条时应取出第三组楔条（如图5），不应取出第二组或第一组，以避免楔条在转子转动过程中产生往复性的径向运动。取出偏心楔条时需保证两个偏心槽2-1中嵌入和取出的偏心楔条2-10完全相同。否则会导致转子质量不平衡。

模拟气隙径向动偏心的步骤：

a、卸下汽端侧的限位卡环2-11和端部螺母2-12，将发电机的转子2拨至两个偏心槽2-1的截面中心点连线处于水平的位置；

b、根据需要从轴承座两侧取出不同组数的偏心楔条2-10；偏心楔条2-10的取出操作需使用专用工具，在偏心楔条2-10汽端侧端面上开有深度约8mm的螺纹孔，专用工具在结构上类似于螺栓，只是在头部由实心六角头变为一个可伸入一个手指的圆环。取出操作时将专用工具拧入偏心楔条2-10端面的螺纹孔中，将偏心楔条2-10从偏心槽2-1中拉出；

c、安装限位卡环2-11和端部螺母2-12。

（4）气隙径向动静复合偏心故障的模拟

先通过起盖螺钉14和千分表测量装置设定一定程度的气隙径向静偏心，然后从动偏心槽中取出一定组数的动偏心楔条来设置气隙径向动偏心，通过不同程度的静偏心与不同程度的动偏心组合便可根据需要模拟不同程度的气隙径向动静复合偏心。

（5）三维组合气隙偏心故障的模拟

将气隙轴向静偏心、气隙径向静偏心及气隙径向动偏心故障三者进行组合，以模拟不同程度的三维组合气隙偏心故障。例如，对于气隙三维混合偏心，可以先根据需要设置一定程度的气隙径向偏心，包括气隙径向静偏心、气隙径向动偏心和气隙径向动静复合偏心；然后根据需要，轴向移动定子3并通过定子定位螺栓8的固定再设置一定程度的气隙轴向静偏心，这样定转子间的气隙在径向和轴向方向上都不均匀，从而实现对气隙三维混合偏心故障的模拟。

Claims (7)

1.一种模拟气隙偏心故障的动模发电机组，包括固定底架（1）、直流驱动电机（7）、模拟发电机和连轴器（6），所述直流驱动电机（7）和模拟发电机设置在固定底架（1）上，直流驱动电机（7）通过连轴器（6）连接至模拟发电机；所述模拟发电机包括转子（2）和定子（3），转子（2）通过轴承座（4）固定在固定底架（1）上，其特征在于，动模发电机组还包括径向调整机构;

所述发电机组还包括轴向调整机构，所述轴向调整机构包括设置在固定底架（1）上的导轨运动台（16），导轨运动台（16）上设置水平导轨（15）和与水平导轨（15）平行的等间距排列的定位孔（5），定子（3）通过定子定位螺栓（8）固定在导轨运动台（16）上；定子定位螺栓（8）与不同定位孔（5）配合时，定子（3）相对于转子（2）产生不同程度的轴向位移。

2.根据权利要求1所述的模拟气隙偏心故障的动模发电机组，其特征在于，所述径向调整机构包括径向静偏心调整机构和径向动偏心调整机构。

3.根据权利要求2所述的模拟气隙偏心故障的动模发电机组，其特征在于，所述径向静偏心调整机构包括竖直导轨（13）、起盖螺钉（14）和千分表测量装置，所述竖直导轨（13）设置在导轨运动台（16）与固定底架（1）之间；导轨运动台（16）的四个角分别安装起盖螺钉（14），导轨运动台（16）和固定在导轨运动台上的定子（3）通过起盖螺钉（14）沿竖直导轨（13）产生径向位移，径向位移量通过千分表测量装置进行测量。

4.根据权利要求3所述的模拟气隙偏心故障的动模发电机组，其特征在于，所述千分表测量装置包括千分表（11）和千分表支架（10），所述千分表（11）通过千分表支架（10）固定在固定底架（1）上，千分表测头（11-1）顶在导轨运动台（16）的上表面。

5.根据权利要求4所述的模拟气隙偏心故障的动模发电机组，其特征在于，所述径向动偏心调整机构包括设置在转子（2）上的偏心楔条（2-10）、限位卡环（2-11）和端部螺母（2-12），所述偏心楔条（2-10）对称嵌装在两个转子大齿（2-2）中间铣出的偏心槽（2-1）内，偏心楔条（2-10）通过汽端侧的限位卡环（2-11）和端部螺母（2-12）实现轴向固定，通过其本身与偏心槽之间的梯形截面配合实现径向固定；偏心楔条（2-10）有三组，每组为对称的两条，偏心槽（2-1）中嵌装不同组数的偏心楔条（2-10），转子将产生不同程度的径向动偏心。

6.根据权利要求5所述的模拟气隙偏心故障的动模发电机组，其特征在于，所述两个偏心槽（2-1）设置在转子（2）的两个大齿（2-2）中间，两者呈对称分布，偏心槽（2-1）靠近圆心侧的宽度大于远离圆心侧的宽度；三组偏心楔条（2-10）与偏心槽（2-1）的形状相对应。

7.一种利用权利要求1至6任一项所述的动模发电机组进行气隙偏心故障模拟的方法，其特征在于，

（1）、通过轴向调整机构模拟气隙轴向静偏心的方法为：卸下定子定位螺栓（8）；推动定子（3）沿水平导轨（15）移动，定子（3）相对转子（2）产生轴向位移，位移量与需设置的气隙轴向静偏心故障程度成正比；安装定子定位螺栓（8）固定所设置的位移量；

（2）、通过径向静偏心调整机构模拟气隙径向静偏心的方法为：卸下用于固定导轨运动台（16）与固定底架（1）的固定螺栓（17）；拧动四枚起盖螺钉（14），使导轨运动台（16）和定子（3）沿竖直导轨（13）移动，并使四个千分表（11）具有相同的读数，移动的竖直位移量与需设定的气隙径向静偏心故障程度成正比；安装固定螺栓（17）对所设置的位移量进行固定；

（3）、通过径向动偏心调整机构模拟气隙径向动偏心的方法为：卸下汽端侧的限位卡环（2-11）和端部螺母（2-12）；根据需要从两个偏心槽（2-1）中对称拉出不同组数的偏心楔条（2-10）；安装限位卡环（2-11）和端部螺母（2-12）；

（4）、模拟三维混合气隙偏心故障的方法为：组合设置轴向调整机构、径向静偏心调整机构和径向动偏心调整机构，来模拟气隙径向动静复合偏心故障和三维气隙混合偏心故障。