Ojämnt luftgap mellan stator och rotor (allmänt känt som "luftgapsexcentricitet") i stora vattenkraftgeneratorer är ett allvarligt fel som kan ha en rad negativa effekter på enhetens stabila drift och livslängd.
Enkelt uttryckt orsakar ojämnt luftgap asymmetrisk magnetfältsfördelning, vilket i sin tur utlöser en rad elektromagnetiska och mekaniska problem. Nedan analyserar vi i detalj påverkan på statorström och spänning, såväl som andra därmed sammanhängande negativa konsekvenser.
I. Påverkan på statorströmmen
Detta är den mest direkta och uppenbara effekten.
1. Ökad ström- och vågformsdistorsion
Princip: I områden med mindre luftgap är det magnetiska motståndet mindre och den magnetiska flödestätheten större; i områden med större luftgap är det magnetiska motståndet större och den magnetiska flödestätheten mindre. Detta asymmetriska magnetfält inducerar obalanserad elektromotorisk kraft i statorlindningarna.
Prestanda: Detta orsakar obalans i trefasstatorströmmarna. Ännu viktigare är att ett stort antal högordningens övertoner, särskilt udda övertoner (som 3:e, 5:e, 7:e, etc.), introduceras i strömvågformen, vilket gör att strömvågformen inte längre är en jämn sinusvåg utan förvrängs.
2. Generering av strömkomponenter med karakteristiska frekvenser
Princip: Det roterande excentriska magnetfältet motsvarar en lågfrekvent moduleringskälla som modulerar den grundläggande effektfrekvensströmmen.
Prestanda: Sidband förekommer i statorströmsspektrumet. Mer specifikt förekommer karakteristiska frekvenskomponenter på båda sidor om grundfrekvensen (50 Hz).
3. Lokal överhettning av lindningar
Princip: Harmoniska komponenter i strömmen ökar kopparförlusten (I²R-förlust) i statorlindningarna. Samtidigt genererar harmoniska strömmar ytterligare virvelströms- och hysteresförluster i järnkärnan, vilket leder till ökad järnförlust.
Prestanda: Den lokala temperaturen på statorlindningarna och järnkärnan stiger onormalt, vilket kan överskrida den tillåtna gränsen för isoleringsmaterial, påskynda åldring av isoleringen och till och med orsaka kortslutningsolyckor.
II. Påverkan på statorspänningen
Även om påverkan på spänningen inte är lika direkt som på strömmen, är den lika viktig.
1. Spänningsvågformsförvrängning
Princip: Den elektromotoriska kraften som genereras av generatorn är direkt relaterad till luftgapets magnetiska flöde. Ojämnt luftgap orsakar distorsion av det magnetiska flödets vågform, vilket i sin tur orsakar att den inducerade statorspänningens vågform också distorderas och innehåller harmoniska spänningar.
Prestanda: Utgångsspänningens kvalitet minskar och är inte längre en standard sinusvåg.
2. Spänningsobalans
I allvarliga asymmetriska fall kan det orsaka en viss grad av obalans i trefasutgångsspänningen.
III. Andra allvarligare negativa effekter (orsakade av ström- och spänningsproblem)
Ovanstående ström- och spänningsproblem kommer ytterligare att utlösa en serie kedjereaktioner, vilka ofta är mer dödliga.
1. Obalanserad magnetisk dragkraft (UMP)
Detta är den mest centrala och farliga konsekvensen av luftgapets excentricitet.
​
Princip: På sidan med ett mindre luftgap är den magnetiska dragkraften mycket större än på sidan med ett större luftgap. Denna nettomagnetiska dragkraft (UMP) kommer att dra rotorn ytterligare mot sidan med det mindre luftgapet.
Ond cirkel: UMP förvärrar problemet med ojämna luftspalter och bildar en ond cirkel. Ju allvarligare excentriciteten är, desto större är UMP; ju större UMP är, desto allvarligare är excentriciteten.
Konsekvenser:
• Ökad vibration och buller: Enheten genererar starka frekvensfördubblade vibrationer (huvudsakligen 2 gånger effektfrekvensen, 100 Hz), och vibrations- och bullernivåerna ökar avsevärt.
• Mekaniska skador på komponenter: Långvarig UMP orsakar ökat lagerslitage, axeltapputmattning, axelböjning och kan till och med få statorn och rotorn att skava mot varandra (ömsesidig friktion och kollision), vilket är ett förödande fel.
2. Ökad enhetsvibration

Källor: Huvudsakligen från två aspekter:
1. Elektromagnetisk vibration: Orsakas av obalanserad magnetisk dragkraft (UMP), frekvensen är relaterad till det roterande magnetfältet och nätfrekvensen.
2. Mekanisk vibration: Orsakas av lagerslitage, axelfeljustering och andra problem orsakade av UMP.
Konsekvenser: Påverkar hela generatoraggregatets stabila drift (inklusive turbinen) och hotar kraftverkets säkerhet.
3. Påverkan på nätanslutning och kraftsystem
Spänningsvågformsförvrängning och strömövertoner kommer att förorena anläggningens elsystem och injicera i elnätet, vilket kan påverka den normala driften av annan utrustning på samma buss och inte uppfyller elkvalitetskraven.
4. Minskad effektivitet och uteffekt
Ytterligare harmoniska förluster och uppvärmning kommer att minska generatorns effektivitet, och med samma ingående vatteneffekt kommer den användbara aktiva effekten att minska.
Slutsats

Ojämnt luftgap mellan stator och rotor i stora vattenkraftgeneratorer är inte på något sätt en trivial sak. Det börjar som ett elektromagnetiskt problem men utvecklas snabbt till ett omfattande allvarligt fel som integrerar elektriska, mekaniska och termiska aspekter. Den obalanserade magnetiska dragkraften (UMP) som det orsakar och den resulterande kraftiga vibrationen är de primära faktorerna som hotar enhetens säkra drift. Därför måste luftgapets jämnhet kontrolleras noggrant under installation, underhåll och daglig drift och underhåll av enheten, och tidiga tecken på excentricitetsfel måste upptäckas och hanteras i tid genom onlineövervakningssystem (såsom vibrations-, ström- och luftgapsövervakning).