CN107192947A - 基于磁场监测的永磁同步电机故诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁场监测的永磁同步电机故诊断方法。通过计算故障特征值，若被监测永磁同步电机的一个定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值明显增大，且不随电机旋转而发生改变，则判定故障类型为电机匝间短路。若被监测永磁同步电机的一个定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值明显增大，且随电机旋转而变化，则判定故障类型为永磁体失磁。若被监测永磁同步电机的所有定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值形成两个峰值，则判定故障类型为偏心故障。

Description

基于磁场监测的永磁同步电机故诊断方法

技术领域

本发明涉及电机故障诊断技术领域。具体地说，通过感应线圈对永磁同步电机内部磁场进行监测根据监测结果对故障进行诊断诊断。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、无电刷和滑环，无电励磁系统，运行可靠性高、功率密度大、电机的形状和尺寸灵活多样等多种显著优点。符合节能减排的经济发展需要，它不仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高效率。因此永磁同步电机在航空航天、数控机床、电动汽车、机器人等领域获得了广泛应用。

由于永磁同步电机应用范围广，工作环境恶劣，因此永磁电机不可避免的会出现各种故障。永磁同步电机常见的故障有匝间短路故障、失磁故障、转子偏心故障等。电机发生故障后电机效率会降低，严重的还可能会导致电机停转，甚至对电机造成永久性的损伤。如果不能及时发现，故障可能会造成巨大的经济损失，因此永磁同步电机故障诊断十分重要。

传统的永磁同步电机故障诊断方法大多都存在只能对单一类型的故障进行诊断，依赖电机参数易受运行状态变化影响，无法识别故障位置及故障程度等问题。

例如，如附图8所示，在电机每个定子齿上加装感应线圈，通过感应线圈上的感应电势对电机进行监测。根据d轴位置和电流相位，将感应线圈上的电势分解为电枢分量和场分量，利用电枢分量诊断电机绕组故障，利用场分量诊断电机转子故障。如图9所示，不同的故障会对定转子分量产生不同的影响，据此该方法可以对绕组故障、失磁故障、偏心故障进行诊断，并且根据场分量或者电枢分量受影响的位置和程度还可以识别故障位置和故障程度。但是，在电机发生故障时，场分量和d轴的关系以及电枢分量和定子电流相位的关系将因故障影响而改变，因此该专利的分解方法在电机故障时结果误差较大，诊断结果精度不高。

又如，现有技术中，利用永磁同步电机发生失磁故障时，电机反电势系数在转子同步参考坐标系下会出现6n次谐波的原理，通过dq轴电流观测转子磁路，通过对转子磁链的分析诊断失磁故障。但是，该方法仅适用于失磁故障这一种故障类型，无法用于诊断永磁电机其他类型的故障；该方法依赖于电机参数，由于电机的参数会随运行状态变化，因此该方法会受电机运行状态变化的影响；该方法也无法识别故障发生的位置。

发明内容

本发明的目的是解决针对现有技术出现的问题，提供一种基于磁场监测的永磁同步电机故诊断方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于磁场监测的永磁同步电机故诊断方法，其特征在于:

1)获取参考值

1-1)在作为参照的正常永磁同步电机的每一个定子齿上绕制线圈，并对这些线圈依次编号。

1-2)在作为参照的正常永磁同步电机负载率为R、转速为n的工况下，提取每一个感应线圈上随时间变化的感应电势，并计算其在各个时刻的基波相量表示的幅值，θ_orsi表示的相位。i为线圈的编号，i＝1,2……。

1-3)计算定子绕组在每一个该线圈产生感应电势的相位：

其中θ_oA是A相电流的相位，θ_oAci是A相绕组轴线与第i号线圈位置的电角度差，i为线圈的编号。

1-4)计算永磁体在每一个线圈产生的感应电势相位：

其中θ_odci是d轴与第i号线圈位置的电角度差。

1-5)计算每一个线圈上由定子电流产生的感应电势参考值

1-6)计算每一个线圈上由转子永磁体产生的感应电势参考值

1-7)重新设定载率R、转速n，并重复1-2)至1-6)，直到获取的参考值覆盖电机可能的所有运行范围。

2)获取故障特征

2-1)在被监测永磁同步电机的每一个定子齿上绕制线圈，并对这些线圈依次编号

2-2)提取被监测永磁同步电机每一个感应线圈上随时间变化的感应电势，并计算其在各个时刻的基波幅值并计算其在各个时刻的基波相量表示的幅值，θ_rsi表示的相位。

2-3)根据被监测永磁同步电机的负载率R、转速n选取相同工况下的参考值

2-4)计算被监测永磁同步电机每一个定子齿上的线圈故障值，

其中

3)诊断故障

3-1)按照下式计算阈值TH：

其中，a是阈值系数，通常可取a＝100。

3-2)分别将各齿对应的故障值和阈值作比较，根据结果判断故障。

进一步地：

若被监测永磁同步电机的所有线圈上的故障特征均小于阈值则电机正常，若被监测永磁同步电机的任何一个或多个线圈上的故障特征超过阈值，则电机故障。故障的具体判定方法如下：

若被监测永磁同步电机的一个定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值明显增大，且不随电机旋转而发生改变，则判定故障类型为电机匝间短路，故障值明显增大的位置就是匝间短路发生的位置；

若被监测永磁同步电机的一个定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值明显增大，且随电机旋转而变化，则判定故障类型为永磁体失磁，故障值明显增大的位置就是发生失磁的位置；

若被监测永磁同步电机的所有定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值形成两个相隔半个定子圆周的峰值，则判定故障类型为偏心故障，两个峰值对应位置就是偏心后气隙最大和最小的位置。

本发明的优点和有益效果是：

1.本发明可用于诊断永磁同步电机各种常见故障。

2.本发明不仅能对电机是否发生故障进行诊断，还能进一步识别故障类型、故障位置、故障程度。

3.本发明通用性好，适用于各种永磁同步电机。

4.本发明不依赖电机参数，不受电机运行状态变化的影响。

5.本发明克服了传统感应线圈诊断方法故障特征误差较大的问题，提高了诊断精度。

附图说明

图1感应线圈的设置示意图。

图2匝间短路故障仿真示意图。

图3匝间短路故障特征值分布图。

图4失磁故障仿真示意图。

图5失磁故障特征值分布图。

图6偏心故障仿真示意图。

图7偏心故障特征值分布图。

图8现有技术中，感应电势分解相量图。

图9为现有技术中，不同的故障会对定转子分量产生不同的影响示意图：匝间短路时的电枢分量(a)失磁故障时的场分量(b)偏心故障时的场分量(c)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

参见图1，以三相永磁同步电机为例，通过以下技术方案实现：

1.一种基于磁场监测的永磁同步电机故诊断方法，其特征在于:

1)获取参考值

1-1)在作为参照的正常永磁同步电机的每一个定子齿上绕制线圈，并对这些线圈依次编号。

1-2)在作为参照的正常永磁同步电机负载率为R、转速为n的工况下，提取每一个感应线圈上随时间变化的感应电势，并计算其在各个时刻的基波相量表示的幅值，θ_orsi表示的相位。i为线圈的编号，i＝1,2……。

1-3)计算定子绕组在每一个该线圈产生感应电势的相位：

其中θ_oA是A相电流的相位，θ_oAci是A相绕组轴线与第i号线圈位置的电角度差，i为线圈的编号。

1-4)计算永磁体在每一个线圈产生的感应电势相位：

其中θ_odci是d轴与第i号线圈位置的电角度差。

1-5)计算每一个线圈上由定子电流产生的感应电势参考值

1-6)计算每一个线圈上由转子永磁体产生的感应电势参考值

1-7)重新设定载率R、转速n，并重复1-2)至1-6)，直到获取的参考值覆盖电机可能的所有运行范围。

2)获取故障特征

2-1)在被监测永磁同步电机的每一个定子齿上绕制线圈，并对这些线圈依次编号

2-2)提取被监测永磁同步电机每一个感应线圈上随时间变化的感应电势，并计算其在各个时刻的基波幅值并计算其在各个时刻的基波相量表示的幅值，θ_rsi表示的相位。

2-3)根据被监测永磁同步电机的负载率R、转速n选取相同工况下的参考值

2-4)计算被监测永磁同步电机每一个定子齿上的线圈故障值，

其中

3)诊断故障

3-1)按照下式计算阈值TH：

取a＝100，对于本实例所采用的电机而言，编号为奇数和偶数的定子齿对应的阈值分别为：0.072、0.075。

3-2)分别将各齿对应的故障值和阈值作比较，根据结果判断故障。

若所有线圈上的故障特征均小于阈值则电机正常；

若被监测永磁同步电机的一个定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值明显增大，且不随电机旋转而发生改变，则判定故障类型为电机匝间短路。如图2所示，样机运行在2500rpm、输出转矩200Nm时A相发生1匝短路，短路点接触电阻为0.1Ω，故障特征值如图3所示，且随着电机旋转，极大值不推移。

若被监测永磁同步电机的一个定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值明显增大，且随电机旋转而变化，则判定故障类型为永磁体失磁。如图4所示，样机运行在2500rpm、输出转矩200Nm时，一对极失磁50％。图4(a)部分为t＝0ms时，失磁故障示意，对应图5(a)部分为t＝0ms故障特征。图5(b)部分为t＝9ms失磁故障示意图，对应图5(b部分)t＝9ms故障特征从图5可以看出，约11个感应线圈的故障特征明显增大，并且故障特征随转子旋转，因此可以判断电机发生失磁故障。样机共有四对极，故障特征明显增大的感应线圈约占线圈总数的四分之一，由此可以判断电机发生一对极失磁。t＝0ms对应的转子位置角为212°，故障特征增大明显的区域是在30～40线圈之间，可以推断失磁磁极是当转子位置为0°时，位于1～12号线圈处的磁极。

若被监测永磁同步电机的所有定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值形成两个相隔半个定子圆周的峰值，则判定故障类型为偏心故障。如图6所示，样机运行在2500rpm、输出转矩200Nm时，转子发生偏移量为0.2mm(气隙厚度0.5mm)的偏心故障，故障示意图和对应故障特征如图7所示，故障特征不随转子旋转，且故障特征有两个相隔约半个定子圆周(24个线圈)的峰值，可以判断电机发生静态偏心故障。故障特征出现峰值分别是在48号线圈附近和23号线圈附近，由此可以推断偏心方向在大概在48号线圈和23号线圈连线方向。

Claims (2)

1.一种基于磁场监测的永磁同步电机故诊断方法，其特征在于:

1)获取所述参考值

1-1)在作为参照的正常永磁同步电机的每一个定子齿上绕制线圈，并对这些线圈依次编号。

1-2)在作为参照的正常永磁同步电机负载率为R、转速为n的工况下，提取每一个感应线圈上随时间变化的感应电势，并计算其在各个时刻的基波相量 表示的幅值，θ_orsi表示的相位；i为线圈的编号，i＝1,2……。

1-3)计算定子绕组在每一个该线圈产生感应电势的相位：

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其中θ_oA是A相电流的相位，θ_oAci是A相绕组轴线与第i号线圈位置的电角度差，i为线圈的编号；

1-4)计算永磁体在每一个线圈产生的感应电势相位：

<mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>d</mi> <mi>c</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>

其中θ_odci是d轴与第i号线圈位置的电角度差；

1-5)计算每一个线圈上由定子电流产生的感应电势参考值

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1-6)计算每一个线圈上由转子永磁体产生的感应电势参考值

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1-7)重新设定载率R、转速n，并重复1-2)至1-6)，直到获取的参考值覆盖电机可能的所有运行范围。

2)获取故障特征

2-1)在被监测永磁同步电机的每一个定子齿上绕制线圈，并对这些线圈依次编号

2-2)提取被监测永磁同步电机每一个感应线圈上随时间变化的感应电势，并计算其在各个时刻的基波幅值并计算其在各个时刻的基波相量 表示的幅值，θ_rsi表示的相位；

2-3)根据被监测永磁同步电机的负载率R、转速n选取相同工况下的参考值

2-4)计算被监测永磁同步电机每一个定子齿上的线圈故障值，

<mrow> <msub> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>r</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mrow>

其中

3)诊断故障

3-1)按照下式计算阈值_TH：

<mrow> <mi>T</mi> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mover> <mi>E</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <mi>a</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1.1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，a是阈值系数，通常可取a＝100。

3-2)分别将各齿对应的故障值和阈值作比较，根据结果判断故障。

2.根据权利要求1或2所述的一种基于磁场监测的永磁同步电机故诊断方法，其特征在于：

若被监测永磁同步电机的所有线圈上的故障特征均小于阈值则电机正常，若被监测永磁同步电机的任何一个或多个线圈上的故障特征超过阈值，则电机故障。故障的具体判定方法如下：

若被监测永磁同步电机的一个定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值明显增大，且不随电机旋转而发生改变，则判定故障类型为电机匝间短路，故障值明显增大的位置就是匝间短路发生的位置；

若被监测永磁同步电机的一个定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值明显增大，且随电机旋转而变化，则判定故障类型为永磁体失磁，故障值明显增大的位置就是发生失磁的位置；

若被监测永磁同步电机的所有定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值形成两个相隔半个定子圆周的峰值，则判定故障类型为偏心故障，两个峰值对应位置就是偏心后气隙最大和最小的位置。