CN110470212B - 一种轮毂电机动态偏心故障检测方法 - Google Patents

Abstract

一种轮毂电机动态偏心故障检测方法，涉及电机故障的检测方法，步骤如下：判断电机类型，为单元电机设置电压测试线；测试待测轮毂电机的一个单元电机一个周期的空载反电动势、提取其全部极大值，计算其标准偏差；对已知不同动态偏心率的标准电机进行测试，求取动态偏心率与标准偏差的线性关系D=aσ中的系数a，其中，D为动态偏心率、σ为标准偏差；将步骤4得到的标准偏差代入线性关系式中，即可判断待测轮毂电机是否存在动态偏心以及动态偏心程度。本发明针对本身是单元电机的轮毂电机，无需任何改装，只进行简便、常规的空载反电动势测试，即可检测其是否存在动态偏心以及偏心程度大小。本发明操作流程、计算方法十分简单，测试数据精准。

Description

一种轮毂电机动态偏心故障检测方法

技术领域

本发明涉及电机故障的检测方法，更具体的说是一种针对轮毂电机动态偏心故障的准确检测方法。

背景技术

轮毂电机驱动是一种直接驱动方式，电机直接与车轮连接，驱动车辆前进。作为一种优越的驱动方式，轮毂电机驱动广泛应用于分布式驱动的电动汽车、电动自行车等领域。它有机械连接结构简单，传动链短，每个轮子可以独立控制等优点。但同时，轮毂电机用作驱动电机，电机所连接的车轮直接与路面接触，因此极易受到路面质量差、运行工况恶劣、负载变化明显等因素影响，再加上电机定转子间轴承的制造加工误差，极易导致轮毂电机定转子的偏心故障。进而使得气隙磁场发生畸变，影响电机的电磁输出性能，增大电机的振动噪声，严重时可能造成电机定转子直接接触，电机磨损报废。由于工程实践中，电机密闭，所以发生偏心故障时往往不易察觉，一旦察觉故障，一般已经使电机出现不可逆的损伤。如果可以在电机生产设计阶段就预留偏心检测的接口，且在电机正常使用过程中，无需进一步改动，即可实现偏心检测，将具有极高的工程应用价值。

综合调研现有文献，发现现有的电机偏心检测技术，大概分为如下几类：

1）利用定子电流及其频谱特征来判断偏心位置和偏心程度。此类方法可以动态检测。但是定子电流极易受负载工况和电机控制方式的影响，且定子电流的偏心特征频谱可能来自于其他故障影响因素。此外，由于偏心频谱特征往往较小，所以无法精准的预测低程度的偏心故障；

2）使用百分表进行直接机械检测。由于电机气隙长度往往只有10^-1mm的数量级，因此很难保证装置整体的准确校正与安装，且会引入圆度误差。

3）在定子槽或定子内表面安装探查线圈或编码器，通过分析线圈或编码器的电压变化来检测偏心位置和程度。这种方法需要对电机进行较大改装，工艺复杂，且线圈容易与转子发生摩擦。另一方面，线圈感应磁场的灵敏度低，也容易受到温度等因素的影响，数据误差大。

4）基于电机振动响应计算动态偏心量。此类方法测试过程复杂，测试成本较高。易受外界干扰，无法在电机生产设计阶段预留检测端口，不适合大批量检测。

综上所述，现有技术多针对交流感应电动机，涉及轮毂电机的动态偏心检测方法则鲜有介绍。此外，利用现有的技术很难实现成本低、精度高、操作简便、能够批量检测、快速应用且适用于轮毂电机的动态偏心检测。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术存在的测试精度不足、测试误差较大、改装工艺复杂、测试过程复杂、不能批量生产、难以快速应用等缺点，提供一种结构简单，使用方便，可准确地测量轮毂电机动态偏心故障的检测方法。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种轮毂电机动态偏心故障检测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：判断电机类型，确定待测轮毂电机是否为单元电机；若是，则进入步骤3；若否，则进入步骤2；

步骤2：设置单元电机电压测试线；

步骤3：测试待测轮毂电机的一个单元电机至少一个周期的空载反电动势；

步骤4：提取至少一个周期的空载反电动势的全部极大值或全部极小值，计算其标准偏差

或

；

步骤5：对与待测轮毂电机的类型相同的已知不同动态偏心率的标准电机进行测试，求取其动态偏心率与标准偏差的线性关系D=aσ中的系数a，其中，D为动态偏心率、σ为标准偏差；

步骤6：将步骤4得到的单元电机空载反电动势全部极大值或全部极小值的标准偏差

或

)代入线性关系式中，即可判断待测轮毂电机是否存在动态偏心以及动态偏心程度：当D>0时，即存在动态偏心；D的数值大小即为动态偏心程度。

单元电机定义为：整个电机空间分布的最小单元，电磁场空间分布的整个周期。整电机单元电机数取决于电机的极槽配合，极数和槽数的最大公约数GCD即为整个电机的单元电机数。

判断电机类型的具体方法为：

11）计算电机极数和槽数的最大公约数GCD；

12）当GCD=1时，其本身为单元电机，待测轮毂电机的电源线为其电压测试线；当GCD>1时，待测电机本身非单元电机，则进行步骤2。

设置单元电机电压测试线的具体方法为：

划分一个单元电机所占的极槽分布（将待测轮毂电机的极槽分布在圆周上等分GCD份，每份为一个单元电机所占的极槽数），将任意一个单元电机对应槽内的各相绕组两端接线引出、作为电压测试线。

步骤4的具体实现方法为：

41）将待测轮毂电机通过夹具安装于测试平台上，将待测轮毂电机的电压测试线与数据采集分析单元相接（示波器数据采集，计算机进行数据分析），将测功机输出轴与待测轮毂电机相连；

42）启动测功机，将待测轮毂电机反拖至额定转速n _e ；

43）数据采集与分析单元至少采集一个（优选2-3个）周期

以上的空载反电动势信号，其中n为转速；

步骤5的具体实现方法为：

51）等间隔设定标准电机的偏心量，间隔不小于10%的动态偏心率，总数不少于8组（通过改变轴承内圈套筒不均匀程度等方法，即可获得不同动态偏心率的标准电机），获得已知不同动态偏心率的标准电机；

52）测试得到已知不同动态偏心率标准电机的单元电机的空载反电动势至少一个周期内的全部极大值或全部极小值的标准偏差，求取动态偏心率D与标准偏差σ之间的线性关系式D=aσ中的系数a；得到该类型的标准电机的动态偏心率D与标准偏差σ之间的线性关系式。

本发明所依据的技术特征是：轮毂电机的单元电机，其空载反电动势受动态偏心影响。若电机发生动态偏心，则单元电机空载反电动势会产生

的特征频率（其中

为电机的电源频率，

为电机的机械转频），进而使空载反电动势发生周期性拍振现象，且拍振程度随动态偏心程度的增大而增大，呈线性关系。本特征已经由有限元方法和解析计算方法科学论证。

使用本发明的轮毂电机动态偏心故障检测方法，可准确判断轮毂电机是否发生动态偏心以及获得动态偏心的程度。本发明具有结构简单，改装或制造方便，操作简便，检测精度高等优点。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1．本发明针对本身是单元电机的轮毂电机，无需任何改装，只进行简便、常规的空载反电动势测试，即可检测其是否存在动态偏心以及偏心程度大小。

2．本发明针对本身包含多个单元电机的轮毂电机，可以在电机生产设计阶段，通过单元电机两端引出电压测试线，制作偏心检测模块。相比现有技术，无需对电机结构进行改动，不用添加多余组件，不会对电机的正常运转造成影响，且能够进行批量应用。

3．本发明依据的评判指标经过了解析公式与有限元仿真工具的科学论证，且受其他非偏心故障因素影响较小，因此具有很高的精度。

4．本发明操作流程、计算方法十分简单，可迅速应用于生产实践和工程检测中。

附图说明

图1是空载反电动势的测试台架示意图。

图2是单元电机的引出接线示意图。

图3是本发明检测方法的流程图。

图4是本发明检测方法案例研究中得到的动态偏心率与标准偏差之间线性关系示意图。

图5是动态偏心特有的拍振现象及原理示意图。

图6是单元电机空载反电动势两个周期内的全部极大值和全部极小值示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

针对某24极27槽，额定转速n=600rpm的电动汽车用外转子轮毂永磁同步电机，按发明方法进行全流程检测。

如图1所示，为轮毂电机空载反电动势的测试台架示意图，设有测试平台1、用于拖动被测轮毂电机的测功机4和测量轮毂电机单元电机空载反电动势的数据采集与分析模块2。测试平台1上设有用于支承和夹持测功机4的夹具3，和测功机输出轴联接的有联轴器5，和联轴器5联接的有转矩转速传感器6，继而联接到通过轮毂电机专用夹具7、8夹持被测轮毂电机9，被测轮毂电机的单元电机两端引出线通过接线盒10和数据采集与分析模块2相连。

对于待测电机，按图3流程所示，有如下执行过程：

1）判断电机类型，确定待测轮毂电机包含的单元电机数：待测轮毂电机为24极27槽，GCD=3，包含3个单元电机。

2）划分一个单元电机所占的极槽分布，将对应槽内的绕组两端引出电压测试线：如图2，一个单元电机为8极9槽，在1-9槽内绕组两端设置引出线。

3）将待测轮毂电机通过夹具安装于测试平台上，将待测轮毂电机电压测试线与数据采集分析单元相接，将测功机输出轴与待测轮毂电机相连，如图1所示；启动测功机（对拖电机），将待测轮毂电机反拖至额定转速n _e ，数据采集单元（示波器）采集两个周期

的电压信号：如图5所示。

4） 提取两个周期的空载反电动势的全部极大或全部极小值，计算其标准偏差：如图6所示。

5）对与待测轮毂电机的类型相同的已知不同动态偏心率标准电机的单元电机进行测试，获取以10%动态偏心率为步长，0-70%共8个动态偏心率下其单元电机的空载反电动势局部极大值或极小值的标准偏差，求取动态偏心率D与标准偏差之间的线性关系式：如图4，D=13.775σ（极大值），D=14.427σ（极小值）。

6）将4）测试得到的单元电机空载反电动势局部极大（小）值的标准偏差代入线性关系式中，即可得到待测轮毂电机是否存在动态偏心以及动态偏心程度。

与现有技术对比，本发明可以快速检测轮毂电机是否存在动态偏心及确定准确的偏心程度。

Claims (5)

1.一种轮毂电机动态偏心故障检测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：判断轮毂电机类型，确定轮毂电机是否为单元电机；若是，则进入步骤3；若否，则进入步骤2；

步骤2：设置单元电机电压测试线；

步骤3：测试待测轮毂电机的一个单元电机至少一个周期的空载反电动势；

步骤4：提取至少一个周期的空载反电动势的全部极大值或全部极小值，计算其标准偏差

或

；

步骤5：对已知不同动态偏心率的标准电机进行测试，求取动态偏心率与标准偏差的线性关系D=aσ中的系数a，其中，D为动态偏心率、σ为标准偏差；

步骤6：将步骤4得到的单元电机空载反电动势全部极大值或全部极小值的标准偏差

或

代入线性关系式中，即可判断待测轮毂电机是否存在动态偏心以及动态偏心程度：当D>0时，即存在动态偏心；D的数值大小即为动态偏心程度。

2.根据权利要求1所述的轮毂电机动态偏心故障检测方法，其特征在于所述的判断轮毂电机类型的具体方法为：

11）计算轮毂电机极数和槽数的最大公约数GCD；

12）当GCD=1时，其本身为单元电机；当GCD>1时，待测轮毂电机本身非单元电机。

3.根据权利要求1所述的轮毂电机动态偏心故障检测方法，其特征在于所述的设置单元电机电压测试线的具体方法为：

划分一个单元电机所占的极槽分布，将任意一个单元电机对应槽内的各相绕组两端引出、作为电压测试线。

4.根据权利要求1所述的轮毂电机动态偏心故障检测方法，其特征在于所述的步骤4的具体实现方法为：

41）将待测轮毂电机通过夹具安装于测试平台上，将待测轮毂电机的电压测试线与数据采集分析单元相接，将测功机输出轴与待测轮毂电机相连；

42）启动测功机，将待测轮毂电机反拖至额定转速n _e ；

43）数据采集分析单元至少采集一个周期

以上的空载反电动势信号，其中n为转速。

5.根据权利要求1所述的轮毂电机动态偏心故障检测方法，其特征在于所述的步骤5的具体实现方法为：

51）等间隔设定轮毂电机偏心量，间隔不小于10%的动态偏心率，总数不少于8组，获得已知不同动态偏心率的标准电机；

52）测试得到已知不同动态偏心率标准电机的单元电机的空载反电动势至少一个周期内的全部极大值或全部极小值的标准偏差，求取动态偏心率D与标准偏差σ之间的线性关系式D=aσ中的系数a；得到该类型的标准电机的动态偏心率D与标准偏差σ之间的线性关系式。

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