CN113014042A - 电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组，气隙测量装置包括测量回路和信息收集装置，测量回路包括回路导体，回路导体沿着切割电机的磁感线的方向布置在电机的定子绕组组件上，测量回路的两端接入到信息收集装置中，其中，信息收集装置采集回路导体感应出的感应电动势，并通过感应电动势确定电机的定子绕组组件与转子组件之间的气隙值。根据本发明的电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组，可通过简化的结构测量电机的气隙，并且可在不影响电机的原有结构的情况下，通过形成测量回路测量电机实际工况下的气隙值。

Description

电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组

技术领域

本发明涉及一种电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组。

背景技术

在电机中，转子功能之一是提供旋转的磁场，转子的磁场可以由电产生，也可以由永磁体产生，定子绕组通过切割磁感线而产生电动势。

一般情况下，在电机的定子和转子之间存在一定的空气通道，可以称之为气隙，该气隙的作用是为了使定子和转子不会机械接触，在电机运行过程中不产生摩擦和干涉。

由于加工工艺水平和实际工程应用等因素，导致在电机产品中一般都会预留较充足的气隙宽度，尤其是在大型电机中，如果电机外部承受一些力矩，则需要将电机的定子和转子的各部件的变形量考虑在内，避免定子和转子变形后存在接触。如果出现接触，则会触发扫膛故障(扫膛故障是指旋转的转子摩擦定子表面)，带来巨大的损失。因此，在设计中，会留有一定的气隙值裕度，避免接触现象。

然而，另一方面，由于空气的导磁性不佳，因此，理论上，该气隙越小越好。同时，为了提升有效材料的利用率，避免冗余设计所带来的成本增加，又希望尽量减小气隙值裕度，这就需要根据实际工况下测量的气隙变化情况，对设计裕度进行优化。但是，由于定子与转子之间存在强磁场，并且气隙值通常非常小(一般来说，大型电机的气隙值也不会超过8mm)，因此，测量电机实际工况下的气隙值是非常困难的。

发明内容

为了解决难以测量电机的气隙值并且难以优化气隙值设计裕度的问题，本发明提供一种电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组。

本发明的一方面提供一种电机的气隙测量装置，气隙测量装置包括测量回路和信息收集装置，测量回路包括回路导体，回路导体沿着切割电机的磁感线的方向布置在电机的定子绕组组件上，测量回路的两端接入到信息收集装置中，其中，信息收集装置采集回路导体感应出的感应电动势，以通过感应电动势确定电机的定子绕组组件与转子组件之间的气隙值。

优选地，回路导体可为定子绕组组件上的拉紧螺杆，测量回路还可包括测量引线，测量引线可从拉紧螺杆的两端引出，并连接到信息收集装置中。

优选地，测量回路可为布置在定子绕组组件的表面上的回路导线，回路导线的第一端可沿着定子绕组组件的端表面伸入到定子绕组组件的内部，回路导线的第二端可通过定子绕组组件的通风道伸入到定子绕组组件的内部，回路导线的第一端与第二端之间的部分可形成回路导体。

优选地，回路导体的长度可在40mm至100mm的范围。

优选地，回路导体可沿着定子绕组组件的槽楔边缘布置。

优选地，回路导体可沿着定子绕组组件的轴向仅布置在定子绕组组件的一部分上。

本发明的另一方面提供一种风力发电机组，风力发电机组包括如上所述的电机的气隙测量装置，风力发电机组的电机布置在机舱与轮毂之间，回路导体位于电机的靠近机舱的一侧上，以测量电机的靠近机舱一侧的气隙值。

本发明的另一方面提供一种使用如上所述的电机的气隙测量装置的气隙测量方法，气隙测量方法包括：采集回路导体中感应出的感应电动势；通过感应电动势确定回路导体所在位置的当前气隙值。

优选地，通过感应电动势确定回路导体所在位置的当前气隙值的步骤可包括：通过将感应电动势与预设标准电动势比较，确定当前气隙值和与预设标准电动势对应的标准气隙值之间的差异。

优选地，气隙测量方法还可包括：在电机静止状态下，测量布置有测量回路的位置处电机的定子绕组组件与转子组件之间的静止气隙值；使电机处于立式状态，在电机空载状态下，测量测量回路感应出的空载电动势；将感应电动势与空载电动势进行对比，利用静止气隙值折算出与感应电动势对应的当前气隙值。

优选地，气隙测量方法还可包括：在电机的全转速范围内测量空载电动势，并且在不同的电机转速下采集回路导体的感应电动势，通过将空载电动势与感应电动势进行对比，利用静止气隙值折算得到不同的电机转速下与感应电动势对应的气隙值。

根据本发明的电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组，可通过简化的结构测量电机的气隙，并且可在不影响电机的原有结构的情况下，通过形成测量回路测量电机实际工况下的气隙值。

此外，根据本发明的电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组，可针对电机的在轴向上的一部分(例如，风力发电机组的电机的机舱侧)的气隙值进行测量，提高测量的针对性和准确性。

此外，根据本发明的电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组，可对气隙的设计裕度进行指导，在确保电机运行可靠的前提下，降低气隙值，使得材料利用率提升，降低成本。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的气隙测量装置的示意图。

图2是根据本发明的第一实施例的气隙测量装置中的回路导体的示意图。

图3是根据本发明的第二实施例的气隙测量装置的示意图。

图4是根据本发明的第二实施例的气隙测量装置中的回路导体的安装位置的示意图。

图5是根据本发明的实施例的风力发电机组的电机处于立式状态的示意图。

图6是根据本发明的实施例的风力发电机组的电机处于卧式状态的示意图。

附图标号说明：

1：电机，10：定子绕组组件，11：定子铁芯，12：定子绕组，13：拉紧螺杆，14：通风道，15：槽楔，20：转子组件，21：转子磁极，31：测量引线，32：回路导线。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述本发明的实施例，在附图中示出了本发明的示例性实施例。在附图中，相同的标号始终表示相同的组件。附图可不按照比例绘制，为了清楚、说明及便利起见，可夸大附图中的元件的相对尺寸、比例和描绘。此外，为了清楚地示出部件之间的关系或内部构造等，在示图中，对与所描述的内容不相关的部分作了省略示意。

下面将参照图1至图4描述根据本发明的实施例的电机的气隙测量装置。以下实施例将以风力发电机组中的电机为例进行示出和描述。并且，电机可以包括外转子、内定子的结构形式，也可以包括外定子、内转子的结构形式，转子与定子之间设定预定距离的气隙。本发明中以外转子、内定子的永磁电机为例说明发明的构思和方案。当然，该方案也完全可以适用于外定子、内转子的电机。并且电机也不仅限于永磁电机，也可以为励磁电机。也就是说，本发明的气隙测量装置不限于此，其适用于依据电磁感应原理实现电能转换或传递的各种类型的电机。

根据本发明的电机的气隙测量装置包括测量回路和信息收集装置。

测量回路可包括回路导体，回路导体沿着切割电机的磁感线的方向布置在电机的定子绕组组件上，测量回路的两端接入到信息收集装置中。

信息收集装置可采集回路导体感应出的感应电动势，从而可通过感应电动势确定定子绕组组件与转子组件之间的当前气隙值。

在本发明的第一实施例中，如图1和图2所示，电机1包括定子绕组组件10和转子组件20，定子绕组组件10包括定子铁芯11和定子绕组12，回路导体可利用定子绕组组件10上的拉紧螺杆13形成，如此，气隙测量装置的测量回路可包括拉紧螺杆13以及从拉紧螺杆13的两端引出的测量引线31，测量引线31将拉紧螺杆13的两端连接到信息收集装置(未示出)，以形成测量回路。

测量引线31可为屏蔽导线，拉紧螺杆13的两端的螺柱上可分别经打磨后与测量引线31焊接。

信息收集装置可安装在非旋转工件上，并且可将所采集的拉紧螺杆13感应出的感应电动势传输到处理装置(例如，计算机)中进行后续处理，或者信息收集装置本身可具有数据处理功能，以直接对来自拉紧螺杆13的电信号进行处理。作为示例，信息收集装置可以是能够将来自各个回路的电信号传输到后台处理装置的接线端子排。

电机1的转子组件20可包括诸如永磁体的转子磁极21，用于提供磁场。转子磁极21所提供的磁场强度一般不随外部电场变化而变化，可认为是恒定的均匀磁场。

当电机运转时，转子组件20绕定子绕组组件10旋转，由于作为回路导体的拉紧螺杆13沿着切割磁感线的方向布置在定子绕组组件10上，因此，会在拉紧螺杆13两端产生电动势。

对此，由于转子磁极21所提供的磁场强度为恒定的均匀磁场，因此，在这样的均匀磁场中，磁场强度B仅与定子绕组组件10和转子组件20之间的气隙值d有关，即，磁场强度B与气隙值d成反比(B∝1/d)。而当测量回路对磁感线的切割长度L(即，拉紧螺杆13的长度)为固定值且转子组件20的转速V为固定值时，根据感应电动势E＝BLV可知，感应电动势E与磁场强度B成正比(E∝B)，而与气隙值d成反比(E∝1/d)。由此，可以将感应电动势E与气隙值d的关系式简化为E＝k/d，其中，k为定值系数。也就是说，随着气隙的减小，感应电动势将增大；反之，随着气隙的增大，感应电动势将减小。因此，可通过测量回路导体两端的电动势E来确定气隙值d的变化情况。

若干拉紧螺杆13在定子绕组组件10的周向上均匀间隔分布，可在其中的多个拉紧螺杆13上形成测量回路，优选地，可沿着定子绕组组件10的周向等间隔地选取12个拉紧螺杆13形成测量回路，如此，可测量周向上12个位置(两个位置间圆心角相差30度)的气隙值，整体上监测定子绕组组件10与转子组件20之间的气隙大小。然而，布置测量回路的位置不限于此，可布置更多或更少的测量回路，并且多个测量回路之间也可非等距布置。

在本实施例中，由于拉紧螺杆13是定子绕组组件10中用于机械连接的现有的紧固装置，并且其外表面上包覆/涂覆有绝缘材料，因此可直接利用拉紧螺杆13形成测量回路，而无需在定子绕组组件10上另设单独的测量组件，使得能够在实现测量气隙的同时减少气隙测量装置对空间的占用。

图3和图4示出了本发明的第二实施例的气隙测量装置，其中，图3示出了定子铁芯11的面对转子组件的表面的局部示意图，图中上下方向为轴向方向。与上面描述的第一实施例不同的是，在第二实施例中，测量回路为布置在定子绕组组件10的表面上的回路导线32，回路导线32的第一端(如图3所示的第一端子a侧)沿着定子绕组组件10的端表面伸入到定子绕组组件10的内部，回路导线32的第二端(如图3所示的第二端子b侧)通过定子绕组组件10的通风道14伸入到定子绕组组件10的内部，回路导线32的第一端与第二端之间的部分(如图3所示的在定子铁芯11的面对转子组件的表面上延伸的部分，具有长度L)形成回路导体。回路导线32的第一端和第二端可接入信息收集装置(未示出)。信息收集装置可与上文中描述的类似，在此将不再赘述。

在本实施例中，由于回路导线32可沿着定子铁芯11的表面铺设，并且可从通风道14内壁绕过，穿入到定子绕组组件10的内部，以接入信息收集装置，因此，可容易地调整回路导线32的切割磁感线的部分的长度L。在这种情况下，回路导线32的切割磁感线的部分可不设置在定子绕组组件10的整个轴向长度上，而是可仅布置在定子绕组组件10的一部分上，进行局部的测量。

以风力发电机组为例，由于转子组件20在叶轮侧为中法兰面结构，并且具有轴系进行加强支撑，因此叶轮侧的气隙变化一般很小，而机舱侧的气隙变化比较大。也就是说，气隙的最小位置可能会出现在机舱侧的周向某位置处。在此情况下，如果测量电机的整个轴向上的气隙值，则得到的是叶轮侧与机舱侧的整体气隙大小，出现在机舱侧的最小气隙值可能会由于与叶轮侧的气隙值一起测量而被平均掉，无法真实、准确地反映机舱侧的气隙值，并且这样的情况随着电机尺寸的增大会更明显。

在这样的电机中，可使用根据本发明的第二实施例的气隙测量装置仅针对机舱侧的气隙值进行测量，也就是说，回路导线32的第一端可沿着定子绕组组件10的机舱侧的端表面布置，然后可通过第一端子a接入信息收集装置；而回路导线32的第二端可从定子绕组组件10的靠近机舱侧或位于轴向中央位置的某个通风道14穿入到定子绕组组件10的内部，并通过第二端子b接入信息收集装置。

如此，可分开测量电机的靠近叶轮侧的气隙值以及靠近机舱一侧的气隙值，避免了不同侧的气隙值之间存在差异而导致测量结果不准确。

此外，如图4所示，由于定子铁芯11边缘具有后退槽，定子绕组组件10的槽楔15设置在后退槽中，并且略低于定子铁芯11的表面，因此，回路导线32的形成回路导体的部分可沿着槽楔15的边缘布置，使得回路导线32设置定子铁芯11的最外表面的径向内侧，而不会从定子铁芯11的表面突出，避免了回路导线32影响气隙或甚至与转子组件20接触。

优选地，回路导线32可为细导线，例如，回路导线32的线规直径可小于1mm。若回路导线32的直径过大，可能会导致回路导线32从定子铁芯11的表面突出，使气隙受到影响。此外，回路导线32的外部包覆有绝缘层，以与其他组件电绝缘。

由于在测量回路中，仅由回路导线32提供电阻，因此，为了避免整个回路的电阻过小，电流过热烧毁回路，回路导线32中的作为回路导体的部分的长度L(即，切割磁感线的长度)不宜过小，以保障电流裕度充足。然而，另一方面，如果长度L过大，则在E＝BLV的关系中，可能会使感应电动势E受磁场强度B和转速V的影响效果将相对减小，导致感应电动势E对磁场强度B的变化不够敏感，使得测量的精度不足，因此，优选地，长度L可在40mm至100mm的范围，进一步优选地，可在60mm至80mm的范围。

此外，由于回路导线32沿着槽楔15的边缘布置，并且从通风道14绕到内部，因此，长度L要满足大于一档通风道14的轴向高度。

与第一实施例类似，在本实施例中，也可沿着定子绕组组件10的周向等间隔地选取12个位置布置测量回路。

与传统的周向铺设测量传感器的方案相比，上面描述的第一实施例和第二实施例中的气隙测量装置可简化铺设过程，缩小铺设范围，减小测量装置所占据的空间，并且不会突出到气隙中，同时还可降低成本。

根据本发明的实施例，还可提供一种风力发电机组，电机布置在风力发电机组的机舱与轮毂之间，如上所述的电机的气隙测量装置设置在电机中，以测量电机的气隙值。优选地，可使用上述第二实施例的气隙测量装置测量电机的靠近机舱一侧的气隙值。

以下将参照图5和图6详细描述制造根据本发明的风力发电机组的电机的气隙测量方法。

根据本发明的实施例，还可提供一种使用上面描述的电机的气隙测量装置的气隙测量方法，该气隙测量方法可包括：采集回路导体中感应出的感应电动势；通过感应电动势确定回路导体所在位置的当前气隙值。

具体来说，可根据上面的实施例中所描述的气隙测量装置在定子绕组组件10上构件测量回路，并且可采集回路导体中感应出的感应电动势。

如上所述，由于感应电动势E与气隙值d的关系式可表示为E＝k/d，因此，在确定了系数k的情况下，可根据测量到的感应电动势确定与其对应的气隙值d。

为了建立电动势E与气隙值d之间的折算关系(例如，系数k)，可预先确定并存储预设标准电动势以及与预设标准电动势对应的标准气隙值，如此，在步骤S2中，可通过将感应电动势与预设标准电动势比较，确定当前气隙值和标准气隙值之间的差异。

在步骤S2中，作为通过标准电动势和标准气隙值确定与感应电动势对应的气隙值的一种示例性方法：可在电机1静止状态下，测量布置有测量回路的位置处电机1的定子绕组组件10与转子组件20之间的静止气隙值；使电机1处于立式状态，在电机1空载状态下，测量测量回路感应出的空载电动势；将感应电动势与空载电动势进行对比，利用静止气隙值折算出与感应电动势对应的当前气隙值。

具体来说，在定子绕组组件10和转子组件20套装后，可利用测量工具测试静止状态下的静止气隙值，记录在周向上已经布置测量回路的各个位置处的静止气隙值。然后，可将套装的定子绕组组件10和转子组件20置于立式的通电拖动的状态(如图5所示)，测量回路导体中感应出的电动势波形，作为空载电动势。如此，在确定了静止气隙值和空载电动势的情况下，相当于建立电动势E与气隙值d之间的折算关系，可以通过该折算关系计算在实际工况下(即，如图6所示，电机1处于卧式状态)的与测量到的感应电动势相对应的气隙值。

上述气隙测量方法不仅可以用于在电机使用过程中对气隙进行实时监测，同时还可以作为测试方法对后续设计进行指导。

以风力发电机组为例，在电机的体积较大并且转子磁极位于定子绕组组件的外部的情况下，转子组件一般采用的是薄壁结构，易发生形变。此外，为了防止叶片转动过程中打到塔筒，一般来说，电机的轴向不是水平放置，而是具有一定的仰角，因此，电机会承受叶轮侧传递而来的力矩、扭矩、弯矩等，加之电机自身的重力，会导致气隙与实际生产时相比产生一些变化，并且这种变化会在不同的电机转速下呈现一定的动态变化。因此，静止状态测量的气隙值并不能代表实际工况下的气隙值，尽管在进行型式试验时，能够模拟出部分工况状态，但是并不能模拟出外部叶片传递过来的弯矩等复杂的影响，并且在不同工况的切换变换的期间的实际情况不易模拟，因此，无法得到在不同转速情况下的气隙变化，这导致在设计过程中预留的气隙设计裕度通常较大。

在这种情况下，利用本发明的气隙测量方法，可在电机的全转速范围内测量空载电动势，信息收集装置会记录不同转速下的空载电动势的图形。然后，在电机安装完成后，可在实际使用工况下在全转速范围内的不同转速下采集回路导体的感应电动势，信息收集装置可将测量到的感应电动势数据(例如，以数据包的形式)传输回处理装置，并且该数据会与数据时刻的风速、时间等参数进行对应。最后，可将不同转速下的空载电动势与实际工况的感应电动势进行比较分析，利用与空载电动势对应的静止气隙值折算得到不同的电机转速下与实际工况的感应电动势对应的气隙值。

如此，通过分析不同电机转速下的气隙值，可得到在实际工况下电机在不同转速时的气隙变化情况，判断气隙的变化规律以及气隙变化后的具体值，并且可确定最小气隙值及对应的位置，这可有利于对气隙的设计裕度进行指导，即，当发现最小气隙值相对较大时，可认为是气隙设计裕度余留较大，可根据测量结果减小后续设计中的气隙设计裕度，使得在确保电机在实际工况下的可靠性的同时降低余留气隙宽度，提高材料利用率，而有效材料利用率提高相当于电机的生产成本降低，其降幅可按照万元/mm计算，可见，提高实际工况下的气隙值的测量精确度的意义重大。

根据本发明的电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组，可通过简化的结构测量电机的气隙，并且可在不影响电机的原有结构的情况下，通过形成测量回路测量电机实际工况下的气隙值。

此外，根据本发明的电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组，可针对电机的在轴向上的一部分(例如，风力发电机组的电机的机舱侧)的气隙值进行测量，提高测量的针对性和准确性。

此外，根据本发明的电机的气隙测量装置、气隙测量方法及风力发电机组，可对气隙的设计裕度进行指导，在确保电机运行可靠的前提下，降低气隙值，使得材料利用率提升，降低成本。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (11)

1.一种电机的气隙测量装置，其特征在于，所述气隙测量装置包括测量回路和信息收集装置，

所述测量回路包括回路导体，所述回路导体沿着切割所述电机(1)的磁感线的方向布置在所述电机(1)的定子绕组组件(10)上，所述测量回路的两端接入到所述信息收集装置中，

其中，所述信息收集装置采集所述回路导体感应出的感应电动势，以通过所述感应电动势确定所述电机(1)的定子绕组组件(10)与转子组件(20)之间的气隙值。

2.根据权利要求1所述的电机的气隙测量装置，其特征在于，所述测量回路为布置在所述定子绕组组件(10)的表面上的回路导线(32)，所述回路导线(32)的第一端沿着所述定子绕组组件(10)的端表面伸入到所述定子绕组组件(10)的内部，所述回路导线(32)的第二端通过所述定子绕组组件(10)的通风道(14)伸入到所述定子绕组组件(10)的内部，所述回路导线(32)的第一端与第二端之间的部分形成所述回路导体。

3.根据权利要求2所述的电机的气隙测量装置，其特征在于，所述回路导体的长度在40mm至100mm的范围。

4.根据权利要求2所述的电机的气隙测量装置，其特征在于，所述回路导体沿着所述定子绕组组件(10)的槽楔(15)边缘布置。

5.根据权利要求1所述的电机的气隙测量装置，其特征在于，所述回路导体沿着所述定子绕组组件(10)的轴向仅布置在所述定子绕组组件(10)的一部分上。

6.根据权利要求1所述的电机的气隙测量装置，其特征在于，所述回路导体为所述定子绕组组件(10)上的拉紧螺杆(13)，所述测量回路还包括测量引线(31)，所述测量引线(31)从所述拉紧螺杆(13)的两端引出，并连接到所述信息收集装置中。

7.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括根据权利要求1-5中任一项所述的电机的气隙测量装置，所述风力发电机组的电机(1)布置在机舱与轮毂之间，所述回路导体位于所述电机(1)的靠近机舱的一侧上，以测量所述电机(1)的靠近机舱一侧的气隙值。

8.一种使用根据权利要求1-6中任一项所述的电机的气隙测量装置的气隙测量方法，其特征在于，所述气隙测量方法包括：

采集所述回路导体中感应出的感应电动势；

通过所述感应电动势确定所述回路导体所在位置的当前气隙值。

9.根据权利要求8所述的气隙测量方法，其特征在于，通过所述感应电动势确定所述回路导体所在位置的当前气隙值的步骤包括：通过将所述感应电动势与预设标准电动势比较，确定所述当前气隙值和与所述预设标准电动势对应的标准气隙值之间的差异。

10.根据权利要求8所述的气隙测量方法，其特征在于，所述气隙测量方法还包括：

在所述电机(1)静止状态下，测量布置有所述测量回路的位置处所述电机(1)的定子绕组组件(10)与转子组件(20)之间的静止气隙值；

使所述电机(1)处于立式状态，在所述电机(1)空载状态下，测量所述测量回路感应出的空载电动势；

将所述感应电动势与空载电动势进行对比，利用所述静止气隙值折算出与所述感应电动势对应的所述当前气隙值。

11.根据权利要求10所述的气隙测量方法，其特征在于，所述气隙测量方法还包括：在所述电机(1)的全转速范围内测量所述空载电动势，并且在不同的电机转速下采集所述回路导体的感应电动势，通过将所述空载电动势与所述感应电动势进行对比，利用所述静止气隙值折算得到不同的电机转速下与所述感应电动势对应的气隙值。

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