CN106443446A - 一种适用于永磁电机转子的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于永磁电机转子的故障诊断方法，用于解决永磁电机转子故障的解决问题。其技术方案是：首先计算电机在低速和中速时的空载损耗增加系数。其次，根据低速和中速时的空载损耗系数判断电机是否存在故障并判断故障种类。本发明计算简单，易于实现，可以有效地诊断并联支路数大于1的永磁电机是否存在转子故障，同时能区分局部退磁、均匀退磁及偏心故障。

Description

一种适用于永磁电机转子的故障诊断方法

技术领域

本发明属于故障诊断技术领域，尤其是一种适用于永磁电机转子的故障诊断方法。

背景技术

永磁电机具有功率密度高、效率高、易于控制等优点。近年来，在风力发电、电动汽车、数控机床等领域得到了广泛关注和应用。永磁转子是永磁电机中最关键的部件之一，它关系到电机的性能、效率及可靠运行。但是，电机在运行过程中，其永磁转子可能会出现局部退磁、均匀退磁以及偏心故障。为了确保系统高效可靠地运行，有必要监测永磁电机的退磁和偏心故障。

目前，已经提出了一些能够用于诊断永磁电机退磁和偏心故障的诊断方法，其中最常用的方法是基于电机定子电流信号的分析方法。该方法根据电机电流中是否存在某些频率分量来判断电机是否存在故障。但是，该方法存在一些不足，主要包括：1)局部退磁在某些定子绕组结构下并不会产生新的频谱分量；2)负载波动、偏心和局部退磁产生的故障特征频率相同，很难从电机频谱角度将他们区分开来。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于永磁电机转子的故障诊断方法。该方法简单，易于实现，可以有效地诊断并联支路数大于1的永磁电机是否存在转子故障。同时，该方法能够区分局部退磁、均匀退磁及偏心故障。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种适用于永磁电机转子的故障诊断方法，包括以下步骤：

(1)将被测试电机和负载脱开，通过逆变器控制被测试的永磁电机，使其转速ω₁为额定转速的一半左右(40％～60％)，并测量电机的线电压和线电流，根据线电压和线电流得到电机的输入功率，即得到转速ω₁下的空载损耗p_T1；

(2)根据电机的空载损耗p_T1计算转速ω₁下的空载损耗增加系数k₁。

其中，p_H1为电机正常时，转速ω₁下的空载损耗；

若k₁≥Thr₁，则被测试电机存在偏心故障，Thr₁为偏心阈值；空载损耗增加系数k₁越大，偏心故障越严重。

进一步地，所述Thr₁为5％。

进一步地，该方法还包括退磁故障的判断，具体为：

当k₁<Thr₁，将被测试电机和负载脱开，通过逆变器控制被测试的永磁电机，使运行于一个较低的转速ω₂，并测量电机的线电压和线电流，根据线电压和线电流得到电机的输入功率，即得到转速ω₂下的空载损耗p_T2；

根据电机的空载损耗p_T2计算转速ω₂下的空载损耗增加系数k₂。

其中，p_H2为电机正常时，转速ω₂下的空载损耗；

k₂≥Thr₂，则认为电机存在局部退磁故障，Thr₂为退磁阈值；k₂越大，局部退磁故障越严重。

若k₂<Thr₄，且k₁<Thr₃,则认为电机存在均匀退磁故障，k₂越大，均匀退磁故障越严重。

进一步地，所述Thr₂为5％。所述Thr₃为-5％，Thr₄为1％。

进一步地，所述ω₂为100～300转每分。

进一步地，所述步骤(1)中，所述永磁电机的额定转速为3000转每分，ω₁为1200转每分。

本发明的有益效果在于：本发明提供的转子故障诊断方法计算简单，易于实现，不需要电机的参数；不仅能够判断电机转子是否故障，还能区分局部退磁、均匀退磁及偏心故障。

附图说明

图1为本发明的实验装置图；

图2为永磁电机转子故障诊断的流程图。

具体实施方式

为了更加具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图1给出了本发明的实验装置图。将电机和负载脱开，然后利用驱动器将电机分别驱动到低速和中速。利用电压和电流传感器获取电机的线电压和线电流，并据此计算出电机的空载损耗。利用被测电机的空载损耗和正常电机的空载损耗，可判断出永磁电机的转子故障与否及故障类型。

当电机的每极每相槽数q为整数时，电机的局部退磁故障并不会在电机的相电流中引入新的故障特征分量。但是，如果永磁电机的并联支路数大于1，则电机的并联支路之间会产生较大的环流，他们的频率为

式中，n是奇数，p是电机的极对数，f₁是电机的基波频率。

分析电机环流可以有效诊断电机的转子故障。然而，不能从电机外部测量电机的环流。环流会增大电机的损耗。根据永磁电机的基础知识可知，永磁电机的损耗主要包括铁芯损耗、铜耗、永磁体的涡流损耗、风磨耗、控制器引起的谐波损耗等。

正常的永磁电机空载低速运行时，电机的铁耗、涡流损耗及风磨耗较小，铜耗非常小。当电机发生局部退磁故障时，由于电机的运行频率较低，所以环流产生的铜耗成为主要的损耗增加部分。由于此时电机总的损耗很小，所以环流的铜耗会使局部退磁电机的空载损耗增加比例较大。因此，电机发生局部退磁故障时，其低速空载损耗增加系数k₁相对较大。随着电机转速提高，电机的铁损会逐步加大，此时主要的损耗是电机的铁损。局部退磁对铁损的影响较小。尽管此时环流仍然会有一定的增加，但是其增加幅度与铁损相比较小，因此电机的空载损耗增加比例会随着电机转速的增加逐步降低。因此，电机发生局部退磁故障时，其中速空载损耗增加系数相对较小。通过大量试验表明，当电机在中速时空载损耗增加系数k₁<Thr₁且k₂≥Thr₂时，可认为电机发生了局部退磁故障，且Thr₁取5％，Thr₂取5％。

电机的偏心故障会使电机的并联支路中产生环流。因此，电机空载低速运行时，其损耗增加系数也会大于零。当电机在中速运行时，由于电机的气隙不均匀，因此电机部分铁芯中的气隙磁密增加，偏心使铁损增加。此外，电机偏心时，由于单边磁拉力的存在，电机的摩擦损耗增大。所以，偏心电机在中速运行时，其损耗增加系数相对较大。通过大量试验表明，当电机在中速时空载损耗增加系数k₁≥Thr₁时，即可认为电机发生了偏心故障。

当电机发生均匀退磁时，电机的支路中不会产生环流，且电机中谐波含量也不会增加。电机发生均匀退磁时，由于电机磁密降低，电机在低速和中速时的空载损耗都会减小。考虑到电机在低速时总的损耗较小，较小的误差就可能使空载损耗增加系数发生较大变化，因此可将低速的损耗增加系数的范围适当放宽，主要通过中速时的损耗增加系数来判断。通过大量试验表明，当电机在中速时的空载损耗增加系数k₁<Thr₃且低速时的空载损耗增加系数k₂<Thr₄时，可认为电机发生了均匀退磁故障，且Thr₃取5％，Thr₄取1％。

从上面的分析可知，综合考虑电机在低速和中速时的空载损耗增加系数可判断电机是否存在故障。如果存在故障，还能判断出电机的故障类型。

根据上述理论，本发明具体的实施步骤如图2所示：

(1)将被测试电机和负载脱开。利用驱动器使被测电机运行于中速ω₁(选取为1200转每分)，并测量电机的两个线电压和两个线电流。其中两个线电压记为v_ba、v_ca，两个线电流记为i_a，i_b。

(2)计算电机在低速时的空载损耗p_T1。其计算表达式为

p_T1＝v_aci_a+v_bci_b (4)

(3)根据正常电机在中速时(1200转每分)的空载损耗p_H1，计算电机低速运行时的空载损耗增加系数k₁。其计算表达式为

其中，正常电机在中速时的空载损耗需提前测试得到。

(4)根据k₁判断电机是否存在偏心故障。若k₁≥Thr₁，则认为电机发生偏心故障。空载损耗增加系数k₁越大，偏心故障越严重。其中，阈值Thr₁需通过实验测试得到，一般可取5％。

(5)如果电机不存在偏心故障，即k₁<Thr₁，则利用驱动器使被测电机运行于低速(100转每分)，并重复步骤(1)-(3)，得到电机低速时的空载损耗增加系数k₂。

根据系数k₁和k₂判断电机是否存在退磁故障，并区分是局部退磁故障还是均匀退磁故障。其判断方法为：(6A)若k₂≥Thr₂，则判断被测试电机存在局部退磁故障。k₂越大，局部退磁故障越严重。其中，阈值Thr₂需通过实验测试得到，一般可取5％。(6B)若k₁<Thr₃且k₂<Thr₄，则判断电机为均匀退磁故障。k₂越大，均匀退磁故障越严重。其中，阈值Thr₃和Thr₄理论上应该是零。这两个值也需要通过实验测试得到。一般考虑到噪声及低速时空载损耗很小等原因，Thr₄可适当放宽，取1％，而Thr₃可取为-5％。

实施例一：针对实验室一台正常电机、一台局部退磁电机以及一台偏心电机做低速和中速空载损耗测试。电机的功率为15kw，每极每相槽数3，并联支路数为2。

测试结果为：当电机发生偏心故障时，其中速时空载损耗增加系数k₁为11.07％，大于阈值5％；当电机发生局部退磁故障时，其中速时的空载损耗系数k₁为3.71％，低速时的空载损耗系数k₂为12.97％，符合k₁<5％，k₂≥5％的判断条件。

Claims (6)

1.一种适用于永磁电机转子的故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将被测试电机和负载脱开，通过逆变器控制被测试的永磁电机，使其转速ω₁为额定转速的一半左右(40％～60％)，并测量电机的线电压和线电流，根据线电压和线电流得到电机的输入功率，即得到转速ω₁下的空载损耗p_T1；

(2)根据电机的空载损耗p_T1计算转速ω₁下的空载损耗增加系数k₁。

$k_1=\frac{p_{T1}}{p_{H1}}-1---\left(1\right)$

其中，p_H1为电机正常时，转速ω₁下的空载损耗；

若k₁≥Thr₁，则被测试电机存在偏心故障，Thr₁为偏心阈值；空载损耗增加系数k₁越大，偏心故障越严重。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Thr₁为5％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括退磁故障的判断，具体为：

当k₁<Thr₁，将被测试电机和负载脱开，通过逆变器控制被测试的永磁电机，使运行于一个较低的转速ω₂，并测量电机的线电压和线电流，根据线电压和线电流得到电机的输入功率，即得到转速ω₂下的空载损耗p_T2；

根据电机的空载损耗p_T2计算转速ω₂下的空载损耗增加系数k₂。

$k_2=\frac{p_{T2}}{p_{H2}}-1---\left(2\right)$

其中，p_H2为电机正常时，转速ω₂下的空载损耗；

k₂≥Thr₂，则认为电机存在局部退磁故障，Thr₂为退磁阈值；k₂越大，局部退磁故障越严重。

若k₂<Thr₄，且k₁<Thr₃,则认为电机存在均匀退磁故障，k₂越大，均匀退磁故障越严重。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述Thr₂为5％。所述Thr₃为-5％，Thr₄为1％。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述ω₂为100～300转每分。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述永磁电机的额定转速为3000转每分，ω₁为1200转每分。