Page 31 - 网络电信2020年4月刊上

面向直驱式风力发电机气隙检测用光纤传感器

系统设计

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徐志豪 ，张小栋 ，熊逸伟 ，赵 震 １,２ ，朱家浩 １
１.西安交通大学机械工程学院
２.中车株洲电机有限公司

摘要：设计了一种面向直驱式风力发电机气隙检测用的光纤传感器系统。首先，基于直驱式风力发电机气
隙检测的需要，采用多模光纤原理对光纤束传感器探头进行了结构设计；进而，对光纤束传感器探头中接收光
纤圈数，以及影响传感器特性参数的光纤纤芯半径ｒ和入射光纤的数值孔径NA分别进行了仿真分析；然后，为
了充分发挥整个系统的最高采集信号，在光纤探头的尾端进行了分束处理设计；最后，在实验室搭建了所设计
的光纤传感器系统，并对其进行了静态标定。结果表明，该系统的量程范围可达8mm，满足直驱式风力发电机气
隙检测的需要。
关键词：三圈同轴；光纤位移传感器；气隙

引言 损、转子轴轻微弯曲、转子制造缺陷，以及定子或转子定位不
目前，国内外风力发电机多采用双馈异步型和直驱永磁型 正确等一系列机械问题引起的。当气隙偏心率超过10％时，即
风力发电机。与传统的双馈异步型风力发电机相比，直驱永磁 认为发电机存在气隙偏心故障。偏心故障将会对转子产生不平
风力发电机改变了沉重的增速齿轮箱模式，将发电机轴直接连 衡电磁拉力，这将使发电机的轴承工作情况恶化，同时加剧机
接到叶轮轴上，即风轮直接驱动风力发电机，简称为直驱式， 组定转子振动，造成定子铁心变形，绕组磨损和绝缘破坏等。
因此其结构简单，传动损耗小，并且能够有效避免由于行星齿 此外，气隙过小还可能造成定子绕组磨损和转－定子碰、摩等
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轮箱故障而造成的发电机组故障，从而能够降低维修成本，提 故障，造成风力发电机的严重损坏 。目前，直驱式风力发电
高发电机组的可靠性；还具有能量密度高，无需励磁绕组，运 机的转子直径可达2m，其气隙最大可达8mm。在动态测量中，由
行效率高，无需集电环和电刷，可靠性高等特点。由于直驱式 于气隙所处的环境是强电磁场环境，传统的位移传感器是利用
风力发电机具有诸多优良特性，因此成为风力发电机的重要发 电容、电感、电涡流原理测量，其测量效果并不理想。现有的
展方向 ［１］ 。 非接触式光纤传感技术主要用于精密的微小位移，多是2mm以
对于直驱式风力发电机而言，转子和定子之间的气隙是一 内，利用现有技术无法实时在线测量风机的气隙。因此，为了
个非常重要的参数，对发电机的电气性能具有较大的影响。由 避免故障停机造成的巨大经济损失和重大事故的发生，对直驱
于制造、安装和运行等原因，发电机定转子之间的气隙将或多 式风力发电机气隙进行有效检测具有重要意义。
或少存在不均匀的状况，此种状况称之为气隙偏心。气隙偏心 现有的发电机气隙检测方法有：电涡流检测法、平板电
是一种常见的机械缺陷，它是由负载不平衡、轴偏心、轴承磨 容检测法和光电气隙检测法。其中电涡流检测法和平板电容检

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