CN105978429A - 开关磁阻电机监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种开关磁阻电机监测系统及方法，包括：电流输入模块、定子机座模块和转子主轴模块，其中：电流输入模块接收电机的实时电流信号并传送到定子机座模块，定子机座模块和转子主轴模块联合生成仿真电磁场并输出磁链，转子主轴模块根据磁链输出仿真扭矩信号、仿真角加速度信号和仿真角速度信号，定子机座模块输出仿真振动信号，本发明利用监测系统仿真运行并与开关磁阻电机的实时数据对比来监测电机的运行状态，基于参数可调的监测系统模型，仿真开关磁阻电机的故障状态运行，获取故障数据库，故障数据库可以为电机故障的预测和检测提供对比数据来源，故障数据库的搭建也实现了对电机故障机理的验证。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电机测试领域的技术，具体是一种开关磁阻电机监测系统及方法。
背景技术
开关磁阻电机的启动转矩大，测速范围宽，控制灵活。开关磁阻电机的调速系统具有效率高，可控参数多，启动电流小等特点，不仅能够满足超高速运行的要求，而且坚固耐用，适应恶劣的工作环境。因此，开关磁阻电机也被广泛应用在油田抽油机械中。但是，由于油田环境相对复杂且地域广阔，对开关磁阻电机的监测非常困难。
目前，现有的通用状态监测系统能够采集电机的相电流、转速和输出扭矩，并上传至上位机进行参数分析来达到监测和诊断的功能。但是，这些监测系统非常依赖采集数据的时效性，由于电机的参数本身的灵敏度不足和滞后性，其无法对故障进行有效的预警，监测系统的作用受到极大的限制。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN105162370A，公开日为2015年12月16日，公开了一种混合动力电动车用开关磁阻电机控制器及其控制方法，其中的控制器通过CAN总线接收整车控制器发送的控制指令、同时将处理后的母线电压、电流、转速和电机状态等信号发送给整车控制器，电机控制器将接收到的指令和传感器信号进行综合处理后，实现对开关磁阻电机的转速控制和转矩控制，可靠性较高；同时通过信号检测和处理，实现对开关磁阻电机的故障诊断和处理。但该装置对于电机的控制和故障检测依赖采集数据的时效性，无法在故障发生前对故障进行有效的预警，无法对未知的故障进行监测，不能对电机可能的故障进行模拟，从而无法主动获取故障的故障数据库。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种开关磁阻电机监测系统及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种开关磁阻电机监测系统，包括：电流输入模块、定子机座模块和转子主轴模块，其中：电流输入模块接收电机的实时电流信号并传送到定子机座模块，定子机座模块和转子主轴模块联合生成仿真电磁场并输出磁链，转子主轴模块根据磁链输出仿真扭矩信号、仿真角加速度信号和仿真角速度信号，定子机座模块输出仿真振动信号。
所述的定子机座模块包括：绕组模块、定子模块和机座模块。
所述的转子主轴模块包括：转子模块和主轴模块。
所述的机座模块包括：主体机座单元、前端盖单元和后端盖单元。
所述的电流输入模块包括用于接收实时电流信号中相电流信号的A相电流输入模块、B相电流输入模块、C相电流输入模块和D相电流输入模块。
所述的绕组模块包括用于接收A相电流信号IA的A相绕组单元、用于接收B相电流信号IB的B相绕组单元、用于接收C相电流信号IC的C相绕组单元和用于接收D相电流信号ID的D相绕组单元。
所述的磁链的计算公式为：其中：ψ为磁链，U为相电压值，ω为转子角速度，θoff为关断角，θon为开通角，θ为转子位置。
所述的仿真振动信号的计算公式为：其中：[M]是质量矩阵，[C]是结构阻尼矩阵，[K]是弹性刚度矩阵，{x}是位移矢量，是速度矢量，是加速度矢量，{F(t)}是电磁力矢量。
所述的仿真角加速度信号和仿真角速度信号通过公式获得，其中：ω为转子角速度，J为转子转动惯量，Ti为第i相电磁转矩，TL为负载转矩，F为阻尼系数，m为电机相数。
所述的仿真扭矩信号的公式为其中：T为扭矩，L为电感，θ为转子位置。
本发明涉及一种基于所述开关磁阻电机监测系统的监测方法，具体包括以下步骤：
1)将各项系统参数输入开关磁阻电机监测系统并输入实时电流信号后，输出仿真信号；
2)将仿真信号与实际运行信号进行对比计算，如果仿真信号与实际运行信号偏差在设定范围内则电机运行正常并进行故障预测，否则进行下一步；
3)结合故障数据库进行故障判断，并进行故障处理。
所述的故障数据库通过以下步骤建立：
1)模拟电机故障并仿真电机的故障运行，将开关磁阻电机监测系统的参数修改为电机的故障参数，输入储存的实时电流信号并运行，输出仿真信号；
2)对仿真信号进行相关性分析，得到故障参数集，故障参数集由故障类型所决定；
3)将得到故障参数集与历史故障监测数据对比，如果匹配则将故障参数集存入故障数据库，否则回到步骤2)。
技术效果
与现有技术相比，本发明利用监测系统仿真运行并与开关磁阻电机的实时数据对比来监测电机的运行状态，基于参数可调的监测系统模型，仿真开关磁阻电机的故障状态运行，获取故障数据库，故障数据库可以为电机故障的预测和检测提供对比数据来源，故障数据库的搭建也实现了对电机故障机理的验证。
附图说明
图1为开关磁阻电机监测系统结构示意图；
图2为监测方法流程图；
图3为故障数据库建立流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例的开关磁阻电机监测系统包括：电流输入模块、定子机座模块和转子主轴模块，其中：电流输入模块接收电机的实时电流信号并传送到定子机座模块，定子机座模块和转子主轴模块联合生成仿真电磁场并模拟电磁力，转子主轴模块根据电磁力输出仿真扭矩信号、加速度信号和速度信号，定子机座输出仿真振动信号。
所述的定子机座模块包括：绕组模块、定子模块和机座模块。
所述的机座模块包括：主体机座单元、前端盖单元和后端盖单元。
所述的转子主轴模块包括：转子模块和主轴模块。
所述的定子模块需要赋予对应的定子参数，包括：定子外径、定子内径、铁心长度、叠压系数、定子级数、硅钢片牌号、极弧系数和轭部高度。
所述的绕组模块需要赋予对应的绕组参数，包括：绝缘厚度、并绕根数、导线直径、并联路数、每极线圈匝数和导线漆膜厚度。
所述的转子模块需要赋予相应的转子参数，包括：转子外径、转子内径、铁心长度、叠压系数、转子级数、硅钢片牌号，极弧系数和轭部高度。
所述的主轴模块需要赋予相应的主轴参数，包括：碳钢牌号、轴承型号、长度和负载。
所述的机座模块需要赋予相应的机座参数，包括：硅钢片牌号和质量。
所述的主体机座单元、前端盖单元和后端盖单元设定的材料均为铝合金，需要输入体积参数。
所述的电流输入模块包括用于接收实时电流信号中相电流信号的A相电流输入模块、B相电流输入模块、C相电流输入模块和D相电流输入模块。
所述的绕组模块包括用于接收A相电流信号IA的A相绕组单元、用于接收B相电流信号IB的B相绕组单元、用于接收C相电流信号IC的C相绕组单元和用于接收D相电流信号ID的D相绕组单元。
所述的磁链由各相电流信号、绕组模块、定子模块和转子模块共同确定，其公式为：其中:ψ为磁链，U为相电压值，ω为转子角速度，θoff为关断角，θon为开通角，θ为转子位置。
所述的仿真振动信号公式为：其中：[M]是质量矩阵，[C]是结构阻尼矩阵，[K]是弹性刚度矩阵，{x}是位移矢量，是速度矢量，是加速度矢量，{F(t)}是电磁力矢量。
所述的仿真角速度信号和仿真角加速度信号公式为：式中：ω为转子角速度，J为转子转动惯量，Ti为第i相电磁转矩，TL为负载转矩，F为阻尼系数，m为电机相数。
所述的仿真扭矩信号公式为：式中：T为扭矩，L为电感，θ为转子位置。
本系统工作时，根据实际工况确定系统参数，即定子参数、转子参数、绕组参数、机座参数、转子参数和主轴参数。实时采集运行中的开关磁阻电机的实时电流信号，传递给电流输入模块，并将相电流信号IA、IB、IC和ID分配给各相绕组单元。各个绕组单元接收实时电流信号，同定子模块和转子模块一起，模拟出仿真电磁场，并通过公式计算出磁链，并传递到机座模块和主轴模块。
所述的机座模块中的主体机座单元、前端盖单元和后端盖单元，根据磁链模拟电机振动，并输出仿真振动信号。
所述的主轴模块根据磁链，模拟电机转动，通过公式计算并输出仿真扭矩信号、仿真角速度信号和仿真角加速度信号。
将得出的仿真振动信号、仿真角速度信号、仿真角加速度信号和仿真扭矩信号与开关磁阻电机实际运行输出的实际运行信号进行对比，即可分析出开关磁阻电机是否运行正常。
如图2所示，所述的开关磁阻电机监测系统的监测方法具体包括以下步骤：
1)将各项参数输入开关磁阻电机监测系统并输入实时电流信号后，输出仿真信号。
根据实际工况，确定系统参数，并赋予到相应模块或单元，构成完整的物理组件模型即所述的监测系统。将开关磁阻电机的实时电流信号，输入监测系统中，并与实际工况中的开关磁阻电机同步虚拟运行。而后，输出仿真信号，即仿真振动信号、仿真扭矩信号、仿真角速度信号和仿真角加速度信号。
2)将仿真信号与实际运行信号进行对比计算，如果仿真信号与实际运行信号偏差在设定范围内则电机运行正常并进行故障预测，否则进行下一步。
将监测系统正常运转的仿真信号以及实际电机运行的信号进行对比计算，判断偏差。如果偏差在设定范围内，则判定开关磁阻电机在正常运行，结合故障数据库，预测开关磁阻电机可能出现故障的部件。如果偏差超过设定范围则进行下一步骤。
3)结合故障数据库，进行故障判断，并进行故障处理。
利用故障数据库中的数据进行故障匹配，判断故障的部位以及程度，而后进行处理。
如图3所示，所述的故障数据库的建立步骤包括以下步骤：
1)模拟电机故障并仿真电机的故障运行，将开关磁阻电机监测系统的系统参数修改为电机的故障参数，输入储存的实时电流信号并运行，输出仿真信号。
2)对仿真信号进行相关性分析，得到故障参数集，故障参数集由故障类型所决定。
3)将得到故障参数集与历史故障监测数据对比，如果匹配则将故障参数集存入故障数据库，否则回到上一步骤。
调取故障机理和对应的开关磁阻电机历史故障监测数据，通过与系统的故障参数集进行比对匹配。
如果故障参数集与历史监测数据不匹配，则重新获取故障参数集，再次进行机理验证，直至故障参数集与历史监测数据达到匹配。
数据匹配之后，将故障状态下开关磁阻电机的故障参数集存储于数据库中，同时将故障的类型记入故障数据库。在故障数据库本身可以作为电机故障机理的验证，同时，故障数据库也可作为故障诊断和故障预测的依据。
与现有技术相比，本发明利用监测系统仿真运行并与开关磁阻电机的实时数据对比来监测电机的运行状态，基于参数可调的监测系统模型，仿真开关磁阻电机的故障状态运行，获取故障数据库，故障数据库可以为电机故障的预测和检测提供对比数据来源，故障数据库的搭建也实现了对电机故障机理的验证。
Claims (5)
1.一种开关磁阻电机监测系统，其特征在于，包括：电流输入模块、定子机座模块和转子主轴模块，其中：电流输入模块接收电机的实时电流信号并传送到定子机座模块，定子机座模块和转子主轴模块联合生成仿真电磁场并输出磁链，转子主轴模块根据磁链输出仿真扭矩信号、仿真角加速度信号和仿真角速度信号，定子机座模块输出仿真振动信号；
所述的磁链为：其中：ψ为磁链，U为相电压值，ω为转子角速度，θoff为关断角，θon为开通角，θ为转子位置；
所述的仿真角加速度信号和仿真角速度信号通过获得，其中：ω为转子角速度，J为转子转动惯量，Ti为第i相电磁转矩，TL为负载转矩，F为阻尼系数，m为电机相数；
所述的仿真扭矩信号为其中：T为扭矩，L为电感，θ为转子位置；
所述的仿真振动信号为：其中：[M]是质量矩阵，[C]是结构阻尼矩阵，[K]是弹性刚度矩阵，{x}是位移矢量，是速度矢量，是加速度矢量，{F(t)}是电磁力矢量。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机监测系统，其特征是，所述的定子机座模块包括：绕组模块、定子模块和机座模块；所述的转子主轴模块包括：转子模块和主轴模块；所述的机座模块包括：主体机座单元、前端盖单元和后端盖单元。
3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机监测系统，其特征是，所述的电流输入模块包括用于接收实时电流信号中相电流信号的A相电流输入模块、B相电流输入模块、C相电流输入模块和D相电流输入模块；所述的绕组模块包括用于接收A相电流信号IA的A相绕组单元、用于接收B相电流信号IB的B相绕组单元、用于接收C相电流信号IC的C相绕组单元和用于接收D相电流信号ID的D相绕组单元。
4.一种基于权利要求1～3中任一所述系统的监测方法，包括以下步骤：
1)将各项系统参数输入开关磁阻电机监测系统并输入实时电流信号后，输出仿真信号；
2)将仿真信号与实际运行信号进行对比计算，如果仿真信号与实际运行信号偏差在设定范围内则电机运行正常并进行故障预测，否则进行下一步；
3)结合故障数据库进行故障判断，并进行故障处理。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征是，所述的故障数据库通过以下步骤建立：
1)模拟电机故障并仿真电机的故障运行，将开关磁阻电机监测系统的系统参数修改为电机的故障参数，输入储存的实时电流信号并运行，输出仿真信号；
2)对仿真信号进行相关性分析，得到故障参数集；
3)将得到故障参数集与历史故障监测数据对比，如果匹配则将故障参数集存入故障数据库，否则回到上一步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180817 |