汽車發電機磁極燒毀故障

中圖分類號：U464.13 文獻標識碼：B 文章編號：1003-8639（2025）06-0189-02

Generator Magnetic PoleBurnoutFault

Li Xiaozhan，Wang Honglei

（Shangqiu Institute of Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476Ooo，China）

【Abstract】This paper elaborates in depth on the causes of the generator magnetic pole burnout fault，the influence ofthefaultonthegenerator，andthediagnosticmethods（magneticpoleacousticdiagnosis method，infrared thermal imagingdetectionmethod，vibration detectionmethod，electromagneticsignal detectionmethod），andproposes comprehensivefault prevention measures（improved design，material and process improvement，forging process control）.By means of the finite element simulation of the magnetic pole forging process，the processparameters of the production process were optimized，and the scrap rate （ 15% ）wasreduced. The importance of simulation technology in improving thereliabilityand performance of magneticpoleswasconfirmed，providing atheoretical basisand practical reference forpreventing magneticpoleburnoutfaults，optimizing theproduction process of magnetic poles，and improving the performance of magnetic poles.

【Key words】 generator magnetic pole burnout；fault diagnosis；finite element analysis

1概述

2發電機磁極燒毀故障診斷技術

發電機磁極燒毀故障主要是指磁極材料過熱引發的局部或全面損傷的一種故障現象，會使發電機效率低下，引起電力系統不穩定。磁極燒毀的原因主要包括磁極過載、磁極冷卻系統設計不合理或失效、磁極材料老化、磁極設計不合理、磁極材料本身存在固有缺陷以及磁極制造過程的品質缺陷。在設計環節中，借助先進設計軟件對發電機磁極在極端工況下的溫度分布進行仿真設計，對發電機磁極開展的全壽命周期熱力學模型預測研究，可減少發電裝置因某些部位過熱而發生燒毀的幾率。在材料選擇環節，通過選擇導熱性材料，降低磁極高溫應力。在實際案例中，通過導入磁極成型（鍛造）過程中磁極質量的管控與磁極缺陷的探傷檢查，可較大程度減少磁極燒毀現象的發生。在發電機磁極燒毀故障預防方面，應該實行對磁極及發電機在設計、材料、制造中的全過程管控，積極預防發電機磁極燒毀的發生，方可有效保證發電機的長期穩定運行。

2.1 磁極燒毀故障的聲學檢測技術

針對發電機勵磁繞組燒損故障的檢測方法可用聲音檢測方法，因為是非接觸的檢測方式，所以可通過采集發電機運行時的聲音異常來及時檢測勵磁繞組是否有燒損的跡象。在發電機勵磁繞組燒損前，局部受熱后由于受熱膨脹使得繞組物理形態出現不同程度的改變，導致聲音產生相應的瀕譜及音壓值出現差異性。勵磁繞組燒損前的異常聲波一般落在 20～30kHz 的頻譜段內，為聲音檢測方法提供了理論支持。

2.2 磁極燒毀故障的紅外熱成像監測

紅外熱成像監測技術是發電機磁極燒損故障診斷技術中最為成熟的。該方法無需進行接觸式監測，可以通過實時監測發電機的磁極溫度分布情況，找到故障的異常熱斑。經過實證分析發現，在磁極燒損前，其溫度值較正常情況的溫度值高 20%～30% ，這給紅外監測提供了一定的數據支持。具體實踐應用中，通過設置溫度閾值，在發現發電機磁極表面溫度高于該值時，監測系統便會發出告警信號，給操作人員一定的指示，引導操作人員進行詳細檢查。紅外熱成像技術可以針對磁極的溫度特性應用有限元仿真分析方法。

2.3基于振動分析的磁極燒毀故障診斷

基于振動分析的發電機磁極燒毀故障診斷方法是非接觸式的，通過分析發電機工作振動信號判斷發電機是否有故障。借助高精度的傳感器獲取一些振動變化的信號，從而判斷磁極是否早期燒毀。通過傅里葉變換分析振動信號的頻譜，從而獲得不同頻率出現的峰值，分析判斷磁極燒毀有可能是機械應力變化所造成的。振動分析能夠提升故障診斷精度，降低機組停機維修的成本。

2.4磁極燒毀故障的電磁信號檢測與處理

通過電磁信號對發電機組磁極燒毀的檢測及處理，通過精細監測可對磁極燒毀進行防范，或者進行及時診斷。檢測過程中，通常采用靈敏度高的傳感器對引起發電機磁極異常的微弱電磁波進行檢測，通過分析發電機運行過程中電磁場的變化，可以對磁極發生燒毀之前所表現出來的異常信號進行識別。據相關研究，在磁極燒毀之前電磁信號往往有著較為顯著的信號頻率以及信號強度異常變化。

電磁信號處理技術是電磁干擾相關頻譜分析中的一項常用技術，傅里葉變換技術、小波變換技術均可以將電磁干擾時域信號轉化為頻域信號，更加有利于確定磁極燒毀所產生的特有頻率成分。例如傅里葉變換可以將電磁干擾中的時域噪聲信號轉變為頻域頻譜，利用頻譜圖中的高頻峰值特征，可以檢測磁極燒毀特征。小波變換是獲取電磁干擾過程中時-頻分辨率的一種比較好的時-頻分析方法，可以比較有效地獲得電磁干擾信號的時-頻分布的集中區域，在判斷電磁干擾中的突變電流現象時尤其有效。

3發電機磁極燒毀故障預防措施

3.1設計優化以減少磁極燒毀風險

運用先進的計算原理和模擬軟件可以對電機的磁極設計參數進行優化設計，減少故障隱患。運用有限元技術通過精細模擬可得出磁極在不同使用狀態下產生的熱應力分布，使設計的磁極能夠滿足實際使用產生的熱負荷要求。有數據顯示，經過優化磁極的冷卻通道設計可以使磁極表面溫度降低 10% 以上，明顯降低因表面溫度過高而造成燒毀的風險。

3.2材料選擇與處理工藝的改進

材料的選擇和加工工藝的優化是預防故障發生的關鍵，因為選擇合適的材料能夠明顯提升磁極耐熱性抗疲勞的能力，從而提高磁極使用壽命2。比如可以選用含稀有金屬成分的合金材料來提高磁極的導熱系數，使得磁極的應力集中現象得到一定程度的緩解，防止由于應力集中造成磁極燒毀情況的發生。通過熱力學模擬試驗分析得知，一些金屬成分在高溫環境下的導熱系數值是傳統合金材料的 20% 左右，將其用于磁極的實際應用，可以明顯降低磁極的工作溫度，降低熱損傷的可能性。

合理控制鍛件過程中的溫度、應力可細化組織結構，提高其綜合機械性能，例如細晶粒能提高強度及韌性，進而提高磁極的抗燒毀性能。鍛造成形模擬分析手段，例如有限元分析，可協助鍛造操作工程師對材料進行進一步優化，預測不同加工工藝條件下的工件性能，進行更為合理的工藝過程設計。

3.3 鍛造過程中的品質控制與檢測

發電機磁極的鍛造品質以及檢測是磁極生產的重要環節，產品使用壽命的長短主要取決于鍛造工藝過程中的每個步驟是否做到嚴格要求，以避免磁極材料缺陷和結構不均勻性造成的磁極燒毀，而有限元分析應用能夠模擬鍛造應力分布和材料的流動，有助于確定合理的鍛造工藝參數，提高鍛件內部應力狀態、減少內裂傾向[3-4。在鍛造中溫度的控制尤為重要，溫度過高或者過低都會影響材料的內部組織和最終力學性能。研究表明，如果鍛件溫度每升降 10% ，會明顯影響材料的屈服強度和抗拉強度。因此，鍛件在鍛造過程中溫度必須得到有效監測，然后將溫度監測結果與鍛造溫度的熱力學計算對比，從而保證其溫度的準確性。另外，鍛造以后對材料進行無損檢測，如超聲和磁粉檢測確定是否有內部缺陷，以保證磁極材料的品質。在鍛造過程中對品質嚴格把控，是避免磁極燒毀故障的基礎。

3.4運行環境的監控與適應性改進

發電機磁極燒毀故障預防的方法主要是運行環境監控與適應性改進，通過運行環境監控可以實時發現發電機的異常情況。溫度和濕度異常是造成磁極燒毀的主要因素，所以配置高精度的溫濕度傳感器，對發電機運行環境進行不間斷檢測，這是確保發電機安全運行的重要措施。據美國能源部數據顯示，適當的環境監控會減少至多 30% 的機器故障。而適應性改進也是對發電機進行運行環境監控的補充。比如隨著環境溫度的變化，對發電機冷卻系統進行動態適應性改進；比如根據溫度，自動增大或減小冷卻系統的冷卻效率，確保磁極始終工作于最佳狀態。在鍛造成形模擬分析中同樣如此，適應性改進的重要意義就是通過模擬分析材料在不同環境條件下的情況，從而調整改進鍛造工藝，減少因環境變化引起的材料性能變化。由此可以窺見，在環境監控與適應性改進下，可以有效預防磁極燒毀故障，保證發電機正常運行。

4結論

在電力系統可靠性影響因子分析中，發電機磁極燒毀故障最為常見。采用聲學診斷技術、紅外熱成像技術、振動測試技術以及電磁檢測技術對磁極燒毀故障進行診斷，可及時發出預警信號并準確定位燒毀位置。采取改良方案設計，使用具有良好導熱性能的材料進行鍛造和鍛造工藝優化（包括溫度、壓力等），可以對磁極燒毀故障的產生起到一定的抑制作用。

參考文獻

[1]鄧韜.實心磁極凸極同步電動機失磁故障的電磁場一溫度場耦合分析[D].成都：西華大學，2023.

[2]王超峰.基于響應面法的汽車發電機磁極鍛造成形工藝多目標優化[D].鄭州：華北水利水電大學，2017

[3]郝用興，王超峰，張紅藝，等.基于響應面法的汽車發電機磁極鍛造成形工藝多目標優化[J].鍛壓技術，2016，41（12）：1-7.

[4]楊繼春，劉亮華.淺談磁極的精密鍛造成形及數值模擬[J]中國新技術新產品，2013（10）：11-12.

（編輯楊凱麟）