CN109541461A - 一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法，主要步骤为：1)同步测量所述永磁同步电机的定子齿的磁通。2)计算所述永磁同步电机的故障特征值fq，并对所述故障特征值fq进行离散傅里叶变换，从而得到故障特征值空间分布的谐波情况FI_k(t)。3)根据故障特征值空间分布的谐波情况FI_k(t)判断所述永磁同步电机是否发生故障。4)诊断所述永磁同步电机的偏心故障类型；5)计算所述永磁同步电机的故障程度和/或偏心方向。本发明提出的诊断方法不仅可以识别偏心故障的类型，还可以准确识别偏心故障的程度和/或方向。

Description

一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电机故障诊断领域，具体是一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法。

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。永磁同步电机不仅可以部分替代传统的电励磁电机，还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、电动汽车等领域获得了广泛应用。

但是，由于永磁同步电机的工作环境大多恶劣，因此永磁同步电机不可避免的会出现各种故障。尤其是当偏心故障严重时，会导致永磁同步电机停转，甚至出现永久性损伤。若不能及时发现永磁同步电机的偏心故障，并计算出偏心故障程度和/或偏心故障，容易造成巨大的经济损失。

随着故障诊断技术的不断发展，出现了各类电机故障诊断系统。但目前的电机故障诊断系统仍然存在准确度低、诊断片面等问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法，主要包括以下步骤：

1)确定待诊断偏心故障的永磁同步电机。

2)测量所述永磁同步电机的定子齿的磁通。

进一步，同步测量永磁同步电机的定子齿的磁通的主要步骤如下：

2.1)在所述永磁同步电机的每一个定子齿上绕制一个线圈，线圈匝数为1，并对定子齿和所述定子齿上绕制的线圈依次编号。记定子齿和所述定子齿上绕制的线圈编号均为i。i＝1,2，…，N。N为电机定子齿总数。定子齿和定子槽数量相同。N也为电机定子槽总数。

2.2)同步测量t至t+T时间内各线圈上的电压u_i，并记录t+T时刻的电机瞬时转速R。T为同步电周期。

2.3)对各线圈电压进行傅里叶变换，从而获取各线圈电压基波分量

2.4)计算各定子齿磁通的基波分量基波分量如下所示：

式中，p为所述永磁同步电机的极对数。j为虚数单位。R为t+T时刻的电机瞬时转速。为各线圈电压基波分量。i为定子齿和定子齿上绕制的线圈编号。

3)计算所述永磁同步电机的故障特征值fi，并对所述故障特征值fi进行离散傅里叶变换，从而得到故障特征值空间分布的谐波情况FI_k(t)。

进一步，计算永磁同步电机的故障特征值fi的主要步骤如下：

3.1)计算所述永磁同步电机在无故障情况下的第i号定子齿的磁通基波分量i为所述永磁同步电机的定子齿序号。

无故障情况下，第i号定子齿的磁通基波分量如下所示：

式中，N为所述永磁同步电机的定子槽数。为第i号定子齿的磁通基波。为第号定子齿的磁通基波。

3.2)计算故障特征值fi。故障特征值fi如下所示：

式中，为无故障情况下第i号定子齿的磁通基波分量。

3.3)对故障特征值fi进行离散傅里叶变换，从而获取故障特征值空间分布中谐波分布情况FI_k(t)。k为谐波次数。

4)根据故障特征值空间分布的谐波情况FI_k(t)判断所述永磁同步电机是否发生故障。若未发生故障，则结束诊断，若发生故障，则转入步骤5。

进一步，诊断永磁同步电机是否发生偏心故障的主要步骤如下。

4.1)设定阈值TH₁和阈值TH₂。TH₁表示最小程度的偏心故障对FI₁的影响。TH₂为偏心故障引起的γ的最大值。γ为除基波外其他谐波能量在整个频谱中的占比。FI₁为故障特征值空间波形的基波。

4.2)判断所述永磁同步电机是否发生偏心故障。

若故障特征值空间分布中谐波分布情况FI_k(t)满足公式4，则判定所述永磁同步电机发生偏心故障。

5)诊断所述永磁同步电机的偏心故障类型。

进一步，诊断所述永磁同步电机的偏心故障类型的方法为：

5.1)判断FI₁(t)的值是否为常数。若FI₁(t)为常数，则所述永磁同步电机的故障为静态偏心故障。若否，则转入步骤2。

5.2)判断FI₁(t)的幅值是否为常数，且判断FI₁(t)的相位是否随时间以同步速度变化。若FI₁(t)的幅值为常数，且FI₁(t)的相位随时间以同步速度变化，则所述永磁同步电机的故障为动态偏心故障。若否，则转入步骤3。

5.3)判断FI₁(t)的幅值是否随时间变化。若FI₁(t)的幅值随时间变化，则所述永磁同步电机的故障为混合偏心故障。

6)计算所述永磁同步电机的故障程度和/或偏心方向。

进一步，计算所述永磁同步电机的故障程度和/或偏心方向的主要方法为：

若所述永磁同步电机发生静态偏心故障或动态偏心故障，则故障程度FS如下所示：

式中，T_Ω为同步机械周期。T_Ω＝pT。t为时间。FI₁(τ)为故障特征值空间波形的基波。

若所述永磁同步电机发生静态偏心故障，则偏心方向FO如下所示：

式中，T_Ω为同步机械周期。T_Ω＝pT。p为所述永磁同步电机的极对数。t为时间。

若所述永磁同步电机发生混合偏心故障，则将故障特征值空间分布中谐波分布情况分解为静态部分FI_1s和动态部分FI_1r。静态部分FI_1s和动态部分FI_1r分别如下所示：

式中，T_Ω为同步机械周期。T_Ω＝pT。

其中，分解得到的静态部分FI_1s的故障程度和故障方向分别按照公式4、公式5计算；分解得到的动态部分FI_1r故障程度按照公式4计算。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明可用于诊断永磁同步电机偏心故障，并且不受其他故障的影响。本发明提出利用探测线圈诊断偏心故障，无需电机相电流、相电压、转子位置等信号。本发明提出的诊断方法可以识别偏心故障的类型。本发明可以准确识别偏心故障的程度和方向。本发明不受电机工况变化的影响。本发明不依赖电机参数。本发明无需事先获取电机正常运行时的参考值。

附图说明

图1为不同状态对应的故障特征值频谱；

图2为不同类型偏心故障对应的故障特征量基波幅值；

图3为不同类型偏心故障对应的故障特征量基波相位；

图4为负载转矩对诊断结果的影响；

图5为转速对诊断结果的影响；

图6(a)为静态偏心故障示意图；

图6(b)为动态偏心故障示意图；

图6(c)为混合偏心故障示意图。

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。

实施例1：

参见图1至图5，一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法，主要包括以下步骤：

1)确定待诊断偏心故障的永磁同步电机。

2)测量所述永磁同步电机的定子齿的磁通。

进一步，同步测量永磁同步电机的定子齿的磁通的主要步骤如下：

2.1)在所述永磁同步电机的每一个定子齿上绕制一个线圈，线圈匝数为1，并对定子齿和所述定子齿上绕制的线圈依次编号。记定子齿和所述定子齿上绕制的线圈编号均为i。i＝1,2，…，N。N为电机定子齿总数。定子齿和定子槽数量相同。N也为电机定子槽总数。

第1号齿上的线圈为1号线圈，第2号齿上的线圈为2号线圈。由于每个齿上都有一个线圈，因此线圈的数量和定子齿相同。

2.2)同步测量t至t+T时间内各线圈上的电压u_i，并记录t+T时刻的电机瞬时转速R。T为同步电周期。本发明适用于电机稳定运行的情况，平均转速和瞬时转速基本相同。

2.3)对各线圈电压进行傅里叶变换，从而获取各线圈电压基波分量

2.4)计算各定子齿磁通的基波分量基波分量如下所示：

式中，p为所述永磁同步电机的极对数。j为虚数单位。R为t+T时刻的电机转速。为各线圈电压基波分量；i为定子齿和定子齿上绕制的线圈编号。

3)计算所述永磁同步电机的故障特征值fi，并对所述故障特征值fi进行离散傅里叶变换，从而得到故障特征值空间分布的谐波情况FI_k(t)。fi是故障特征值(faultindicator)的缩写。

进一步，计算永磁同步电机的故障特征值fi的主要步骤如下：

3.1)计算所述永磁同步电机在无故障情况下的第i号定子齿的磁通基波分量i为所述永磁同步电机的定子齿序号。

无故障情况下，第i号定子齿的磁通基波分量如下所示：

式中，N为所述永磁同步电机的定子槽数。为第i号定子齿的磁通基波。为第号定子齿的磁通基波。

3.2)计算故障特征值fi。故障特征值fi如下所示：

式中，为无故障情况下第i号定子齿的磁通基波分量。

3.3)对故障特征值fi进行离散傅里叶变换，从而获取故障特征值空间分布中谐波分布情况FI_k(t)。k为谐波次数。N为所述永磁同步电机的定子槽数。

4)根据故障特征值空间分布的谐波情况FI_k(t)判断所述永磁同步电机是否发生故障。若未发生故障，则结束诊断，若发生故障，则转入步骤5。

进一步，诊断永磁同步电机是否发生偏心故障的主要步骤如下。

4.1)设定阈值TH₁和阈值TH₂。TH₁表示最小程度的偏心故障对FI₁的影响。TH₂为偏心故障引起的γ的最大值。γ为除基波外其他谐波能量在整个频谱中的占比。FI₁为故障特征值空间波形的基波。

4.2)判断所述永磁同步电机是否发生偏心故障。

若故障特征值空间分布中谐波分布情况FI_k(t)满足公式4，则判定所述永磁同步电机发生偏心故障。

式中，n为任意定子齿序号。FI_n(t)为故障特征值空间分布中的谐波分布。

5)诊断所述永磁同步电机的偏心故障类型。

进一步，诊断所述永磁同步电机的偏心故障类型的方法为：

5.1)判断FI₁(t)的值是否为常数。若FI₁(t)为常数，则所述永磁同步电机的故障为静态偏心故障。若否，则转入步骤2。

5.2)判断FI₁(t)的幅值是否为常数，且判断FI₁(t)的相位是否随时间以同步速度变化。若FI₁(t)的幅值为常数，且FI₁(t)的相位随时间以同步速度变化，则所述永磁同步电机的故障为动态偏心故障。若否，则转入步骤3。

5.3)判断FI₁(t)的幅值是否随时间变化。若FI₁(t)的幅值随时间变化，则所述永磁同步电机的故障为混合偏心故障。

6)计算所述永磁同步电机的故障程度和/或偏心方向。

进一步，计算所述永磁同步电机的故障程度和/或偏心方向的主要方法为：

若所述永磁同步电机发生静态偏心故障或动态偏心故障，则故障程度FS如下所示：

式中，T_Ω为同步机械周期。T_Ω＝pT。t为时间。FI₁(τ)为故障特征值空间波形的基波。

若所述永磁同步电机发生静态偏心故障，则偏心方向FO如下所示：

式中，T_Ω为同步机械周期。T_Ω＝pT。p为所述永磁同步电机的极对数。t为时间。

若所述永磁同步电机发生混合偏心故障，则将故障特征值空间分布中谐波分布情况分解为静态部分FI_1s和动态部分FI_1r。静态部分FI_1s和动态部分FI_1r分别如下所示：

式中，T_Ω为同步机械周期。T_Ω＝pT。

其中，分解得到的静态部分FI_1s的故障程度和故障方向分别按照公式4、公式5计算；分解得到的动态部分FI_1r故障程度按照公式4计算。

实施例2：

一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法的原理为：

对于一台正常的永磁同步电机而言，其定转子几何中心(O_s、O_r)以及转子的旋转中心(O_ω)都是重合的。

如图6a所示，如果O_r和O_ω同时偏离O_s至同一位置，那么永磁同步电机发生静态偏心。

如图6b所示如果O_r偏离O_s，而O_ω仍然和O_s重合，那么永磁同步电机发生动态偏心。

如图6c所示如果O_r和O_ω都偏离O_s，但处于不同位置，那么电机发生混合偏心。

偏心故障的程度和方向可以用偏心率表示，偏心率的定义如下：

式中，是从O_s到O_r的矢量，l_g0是无故障情况下气隙长度。

对于静态偏心，偏心率满足下式：

式中，是从O_s到O_r的矢量。

对于动态偏心，偏心率满足下式：

式中，Ω是转子旋转的机械角速度。是从O_s到O_r的矢量。

混合偏心可以看作静态偏心和动态偏心的叠加：

偏心故障下，电机气隙分布可以用下式表示：

式中，θ是气隙对应的空间位置角；r_s是定子内径；r_r是转子外径；是偏心率的方向角。

通常定子内径和转子外径远大于气隙长度，因此式(12)可以近似为：

永磁同步电机的定子齿磁通满足下式：

式中，下标i是定子齿编号。F_i是第i号齿对应的等效磁动势，R_c是第i号齿等效磁路对应的定转子铁心(包括永磁体)磁阻,R_g为第i号齿对应气隙磁阻。

R_g可以通过下式计算得到：

式中，μ₀是真空磁导率，A_g是截面积，l_g是气隙长度。

对于正常的电机，l_g＝l_g0，定子齿磁通φ_ih满足：

偏心故障时，气隙长度由式13计算得出，定子齿磁通φ_ie满足：

式中，θ_i是第i号齿的空间位置角(令θ₁＝0)。

定义各齿对应的故障特征量为：

式中，β为计算系数。

式中，计算系数β满足下式：

对于一个特定的电机而言，可以认为β是一个常数。

静态偏心下故障特征fi(i)满足下式：

动态偏心下故障特征fi(i,t)满足下式：

混合偏心下故障特征fi(i,t)满足下式：

上述各式表明，发生偏心故障时fi在空间上呈正弦分布，并且其幅值可以反映偏心率的大小(即偏心故障的严重程度)，其相位可以反映偏心率的角度(即偏心故障的方向)。此外，根据fi分布随时间变化的关系可以识别偏心故障的类型(静态、动态、混合)。因此可以根据fi对偏心故障进行诊断。

实施例3：

一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法的仿真实验，主要包括以下步骤：

1)确定待诊断偏心故障的永磁同步电机；

2)同步测量所述永磁同步电机的定子齿的磁通；

3)计算所述永磁同步电机的故障特征值fi，并对所述故障特征值fi进行离散傅里叶变换，从而得到故障特征值空间分布的谐波情况FI_k(t)；

4)根据故障特征值空间分布的谐波情况FI_k(t)判断所述永磁同步电机是否发生故障；若未发生故障，则结束诊断，若发生故障，则转入步骤5；

进一步，诊断永磁同步电机是否发生偏心故障的主要步骤如下。

4.1)设定阈值TH₁和阈值TH₂。TH₁＝0.01,TH₂＝0.1。TH₁表示最小程度的偏心故障对FI₁的影响。TH₂为偏心故障引起的γ的最大值。γ为除基波外其他谐波能量在整个频谱中的占比。FI₁为当谐波次数k＝1时，故障特征值空间分布中谐波分布。

不同状态对应的故障特征值频谱如图1所示。从图1中可以看出，电机正常运行时，FI₁的基波和谐波都很小。发生偏心故障时，FI₁的基波显著增大，其他谐波仍然很小；发生匝间短路和失磁故障时，FI₁的基波和谐波都显著增大。偏心故障时FI₁的分布明显区别去其他状态，因此FI₁可以诊断出偏心故障。

4.2)判断所述永磁同步电机是否发生偏心故障。

若故障特征值空间分布中谐波分布情况FI_k(t)满足公式23，则判定所述永磁同步电机发生偏心故障。

式中，TH₁表示最小程度的偏心故障对FI₁的影响。γ为除基波外其他谐波能量在整个频谱中的占比。TH₂为偏心故障引起的γ的最大值。

表1不同状态偏心故障存在性诊断结果

从表1结果可以看出，只有偏心故障时，公式4所述的两个条件同时满足，说明本方法可以正确诊断出偏心故障并且不受其他类型故障的影响。

静态、动态、混合偏心时，FI₁的幅值和相位随时间的变化情况如图3所示，图中各状态对应的电机转速为3000r/mn，机械周期为20ms。

5)诊断所述永磁同步电机的偏心故障类型。

6)计算所述永磁同步电机的故障程度和/或偏心方向。

可以看出，静态偏心时，FI₁的幅值和相位基本上都不随时间变化；动态偏心时，FI₁的幅值基本上不随时间变化，相位随时间均速减小，减小的速率和转子机械角速度一致。混合偏心时，FI₁的幅值和相位都随时间变化。显然，根据步骤5所述条件可以轻易判断出上述偏心故障的类型。说明本方法可以正确诊断出偏心故障的类型。

在仿真中改变偏心距离和方向的设置，可得不同程度、方向的偏心故障，它们对应的故障程度诊断结果如表和表所示，其中和是仿真中偏心率大小和方向的设定值，FS和FO是根据步骤5计算得到诊断结果：

表2不同故障程度诊断结果

表3不同方向静态偏心故障诊断结果

从表2可以看出，相同时，静态偏心、动态偏心对应的FS基本一致。并且FS和大致成正比。从表3可以看出，不同变化时，FO也随之变化，并且FO的误差始终保持在10°以内。上述分析说明本方法可以正确反映偏心故障的程度和方向。

不同负载转矩、转速下的诊断结果如图5所示。从图5可以看出，FS和FO基本上都不受负载转矩及转速的影响。说明本方法不受电机工况影响，可以在各种工况下正确诊断出偏心故障的程度的方向。

Claims (6)

1.一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

1)确定待诊断偏心故障的所述永磁同步电机；

2)测量所述永磁同步电机的定子齿的磁通。

3)计算所述永磁同步电机的故障特征值fi，并对所述故障特征值fi进行离散傅里叶变换，从而得到故障特征值空间分布的谐波情况FI_k(t)；

4)根据故障特征值空间分布的谐波情况FI_k(t)判断所述永磁同步电机是否发生故障；若未发生故障，则结束诊断，若发生故障，则转入步骤5；

5)诊断所述永磁同步电机的偏心故障类型；

6)计算所述永磁同步电机的故障程度和/或偏心方向。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法，其特征在于：测量永磁同步电机的定子齿的磁通的主要步骤如下：

1)在所述永磁同步电机的每一个定子齿上绕制一个线圈，线圈匝数为1，并对定子齿和所述定子齿上绕制的线圈依次编号；记定子齿和所述定子齿上绕制的线圈编号均为i；i＝1,2，…，N；N为电机定子齿总数；定子齿和定子槽数量相同；N也为电机定子槽总数；

2)同步测量t至t+T时间内各线圈上的电压u_i，并记录t+T时刻的电机瞬时转速R；T为同步电周期；

3)对各线圈电压进行傅里叶变换，从而获取各线圈电压基波分量

4)计算各定子齿磁通的基波分量基波分量如下所示：

式中，p为所述永磁同步电机的极对数；j为虚数单位；R为t+T时刻的电机转速；为各线圈电压基波分量；i为定子齿和定子齿上绕制的线圈编号。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法，其特征在于：计算永磁同步电机的故障特征值fi的主要步骤如下：

1)估计所述永磁同步电机在无故障情况下的第i号定子齿的磁通基波分量i为所述永磁同步电机的定子齿序号；

无故障情况下，第i号定子齿的磁通基波分量如下所示：

式中，N为所述永磁同步电机的定子槽数；为第i号定子齿的磁通基波；为第号定子齿的磁通基波；

2)计算故障特征值fi；故障特征值fi(i,t)如下所示：

式中，为无故障情况下第i号定子齿的磁通基波分量；

3)对故障特征值fi进行离散傅里叶变换，从而获取故障特征值空间分布中谐波分布情况FI_k(t)；k为谐波次数；

4.根据权利要求1或3所述的一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法，其特征在于，诊断永磁同步电机是否发生偏心故障的主要步骤如下；

1)设定阈值TH₁和阈值TH₂；TH₁表示最小程度的偏心故障对FI₁的影响；TH₂为偏心故障引起的γ的最大值；γ为除基波外其他谐波能量在整个频谱中的占比；FI₁为故障特征值空间波形的基波；

2)判断所述永磁同步电机是否发生偏心故障；

若故障特征值空间分布中谐波分布情况FI_k(t)满足公式4，则判定所述永磁同步电机发生偏心故障；

5.根据权利要求1或2所述的一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法，其特征在于，诊断所述永磁同步电机的偏心故障类型的方法为：

1)判断FI₁(t)的值是否为常数；若FI₁(t)为常数，则所述永磁同步电机的故障为静态偏心故障；若否，则转入步骤2；

2)判断FI₁(t)的幅值是否为常数，且判断FI₁(t)的相位是否随时间以同步速度变化；若FI₁(t)的幅值为常数，且FI₁(t)的相位随时间以同步速度变化，则所述永磁同步电机的故障为动态偏心故障；若否，则转入步骤3；

3)判断FI₁(t)的幅值是否随时间变化；若FI₁(t)的幅值随时间变化，则所述永磁同步电机的故障为混合偏心故障。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于磁场分布监测的永磁同步电机偏心故障诊断方法，其特征在于，计算所述永磁同步电机的故障程度和/或偏心方向的主要方法为：

若所述永磁同步电机发生静态偏心故障或动态偏心故障，则故障程度FS如下所示：

式中，T_Ω为同步机械周期；T_Ω＝pT；t为时间；FI₁(τ)为故障特征值空间波形的基波；

若所述永磁同步电机发生静态偏心故障，则偏心方向FO如下所示：

式中，T_Ω为同步机械周期；T_Ω＝pT；p为所述永磁同步电机的极对数；t为时间。

若所述永磁同步电机发生混合偏心故障，则将故障特征值空间波形的基波分解为静态部分FI_1s和动态部分FI_1r；静态部分FI_1s和动态部分FI_1r分别如下所示：

式中，T_Ω为同步机械周期；T_Ω＝pT。

其中，分解得到的静态部分FI_1s的故障程度和故障方向分别按照公式4、公式5计算；分解得到的动态部分FI_1r故障程度按照公式4计算。