CN110492689A - 可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构及方法，包括交叉排列的故障检测绕组和主电枢绕组。其中，每一相的故障检测绕组仅由一个线圈组成，而主电枢绕组可由一个或多个线圈串联而成。当电机正常运行时，将故障检测绕组与主电枢绕组串联，共同进行能量转化；当进行故障检测时，将故障检测绕组与主电枢绕组断开，通过观察故障检测绕组的反电动势波形判断永磁电机永磁体退磁和转子偏心情况，对故障进行准确判断。该电机结构简单，故障检测方法操作方便，可帮助检修人员快速判断电机故障类型。

Description

可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构及方法

技术领域

本发明属于永磁电机领域，尤其涉及一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构。

背景技术

永磁电机采用永磁体励磁，当转子以同步速旋转时永磁体产生旋转磁场切割定子绕组，产生反电动势。当定子绕组中存在电流时，磁链与电流相互作用产生电磁转矩。相比于电励磁电机，永磁电机不存在转子铜耗，效率更高，因而在汽车、航空航天、医疗器械等领域被广泛使用。

永磁电机中，永磁体是整个电机的磁源，其对电机的安全运行至关重要。永磁体在高温或大电流情况下容易发生局部不可逆退磁，使得电机电流增大，严重时甚至会导致电机烧毁，危害用户安全。永磁体质地较脆，多采用粘贴或内埋的方式固定在电机转子上，充磁后与铁心之间的吸引力较大，若通过拆卸的方式对电机进行检查容易使永磁体破损。另一方面，永磁电机转子偏心故障也会使得电机气隙磁场发生变化，影响电机性能，带来振动、噪声及转矩波动等问题。偏心严重时也会导致电机定、转子间发生摩擦，造成电机损坏。因此，是否能及时、方便地对永磁体退磁情况和转子偏心情况进行判断，对准确评估永磁电机的状态、维护永磁电机系统安全较为关键。

通常来说无论是永磁体退磁还是转子偏心都会导致永磁电机的气隙磁场发生变化，从而影响电机电枢绕组的磁链和反电动势。但通常电机的电枢绕组是由多有个线圈串并联而成，存在分布系数，因此电机磁场的变化经过分布绕组叠加后，往往难以根据反电动势波形进行准确判断。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构，以解决现有技术中存在的永磁体退磁和/或转子偏心检测不够准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构，包括每相交叉排列的故障检测绕组和主电枢绕组。

进一步的，所述故障检测绕组和主电枢绕组中的每个线圈的节距和匝数相同。

进一步的，每一相的故障检测绕组由一个线圈组成；所述每一相的故障检测绕组之间在空间上对称分布。

进一步的，每一相的主电枢绕组由一个或多个线圈串联而成；所述每一相的主电枢绕组之间在空间上对称分布。

进一步的，所述结构还包括定子铁心和转轴；

所述定子铁心和转轴之间依次设置有永磁体磁极和转子铁心。

进一步的，所述定子铁心外设置有机壳，机壳上还设置有接线盒，机壳与底座连接固定。

本发明还公开了永磁电机故障的判断方法，所述方法包括：

若每相反电动势波形相同，近似正弦波或梯形波，正半周期和负半周期波形对称，说明电机不存在永磁体退磁和偏心故障；

若每相反电动势波形均相同，但正半周期和负半周期不对称，存在明显凹陷，说明电机存在永磁体局部退磁故障，且有几处凹陷即说明永磁体有几处局部退磁，凹陷越深，永磁体局部退磁越严重；

若每相反电动势波形正半周期和负半周期对称，但每相的反电动势波形幅值不同，说明电机存在转子偏心的故障，且各相反电动势幅值差异越大，转子偏心越严重。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明提出的永磁电机结构，可以在不对电机做任何拆卸的情况下，仅通过改变接线方式对永磁体局部退磁和转子偏心故障进行检查，此外，在电机正常运行时，故障检测绕组作为电枢绕组的一部分，也可参与电机能量的转换，有效避免了电机空间的浪费，相比于常规电机而言，该电机结构改动小，无需增加电机成本，且故障检测操作简单，方便快捷，可行性较高，方便了检修人员及时发现和准确评估永磁电机的永磁体退磁和转子偏心故障，

附图说明

图1为一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构图；

图2为4极24槽永磁电机A相主电枢绕组和故障检测绕组的绕组展开图；

图3为4极24槽永磁电机B相主电枢绕组和故障检测绕组的绕组展开图；

图4为4极24槽永磁电机C相主电枢绕组和故障检测绕组的绕组展开图；

图5为永磁电机正常工作时的接线情况；

图6为永磁电机故障检测时的接线情况；

图7为永磁电机正常运行时故障检测绕组测得的三相反电动势波形；

图8为永磁电机发生永磁体局部退磁故障时故障检测绕组测得的三相反电动势波形；

图9为永磁电机发生转子偏心故障时故障检测绕组测得的三相反电动势波形。

附图标记：1-定子铁心；2-故障检测绕组；3-主电枢绕组；4-永磁体磁极；5-转子铁心；6-转轴；7-气隙；8-机壳；9-接线盒；10-底座；11-三相交流电源；12-示波器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅是针对一种永磁电机进行永磁体退磁和转子偏心故障检测的情况，而本发明也可以应用到其他类似电机的故障检测当中。

一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构，包括每相交叉排列的故障检测绕组2和主电枢绕组3。

还包括定子铁心1、永磁体磁极4，转子铁心5，转轴6、机壳8，接线盒9和底座10。

永磁体磁极4和转子铁心5设置在定子铁心1和转轴6之间；接线盒9和底座10设置在机壳8上。永磁体磁极4和定子铁心1之间形成气隙7。

对于一个相数为m、极数为2p、槽数为Q、节距为τ的永磁电机，每一相定子绕组均由故障检测绕组2和主电枢绕组3两部分组成，且故障检测绕组2和主电枢绕组3中每个线圈的节距和匝数都相同。

每一相的故障检测绕组2仅由一个线圈组成，m相的故障检测绕组2在空间上对称分布，彼此之间互差360°/m角度。

每一相的主电枢绕组3由一个或多个线圈串联而成，m相的主电枢绕组3在空间上对称分布，彼此之间互差360°/m角度。

当电机正常运行时，需将接线盒9内故障检测绕组2和主电枢绕组3的接线端串联起来，再按照m相绕组的连接方式进行正常供电。

当检测永磁电机故障时，需将接线盒9内故障检测绕组2和主电枢绕组3断开，并将电机转子匀速旋转，通过示波器12观察m相故障检测绕组2的反电动势波形来判断永磁电机故障情况。

实施例一

以图1中的表贴式永磁电机为例，该电机参数为：相数m＝3、极数2p＝4、槽数Q＝24、节距τ＝5。其结构包括：定子铁心1，故障检测绕组2，主电枢绕组3，永磁体磁极4，转子铁心5，转轴6，气隙7，机壳8，接线盒9，底座10。

根据电机的极数2p＝4、槽数Q＝24和节距τ＝5可以计算获得三相绕组上层边的槽号分配表，如表1所示。

表1为实施例一中三相绕组上层边的槽号分配表

A

Z

B

X

C

Y

第1对极

1、2

23、24

9、10

7、8

17、18

15、16

第2对极

13、14

11、12

21、22

19、20

5、6

3、4

其中，A相带下的线圈和X相带下的线圈反向串联后均记为A相绕组；B相带下的线圈和Y相带下的线圈反向串联后均记为B相绕组；C相带下的线圈和Z相带下的线圈反向串联后均记为C相绕组。

本实施例中，每相定子绕组均由故障检测绕组2和主电枢绕组3两部分组成，因此该电机有3个故障检测绕组2和3个主电枢绕组3。且故障检测绕组2和主电枢绕组3中每个线圈的节距和匝数都相同，即电机中每个线圈的节距均为5，每个线圈的匝数均为10匝。进一步，可根据表1中每个线圈上层边的槽号确定其下层边所在的槽号：若某个线圈上层边所在的槽号记为n，则其下层边所在的槽号为n+τ；若n+τ>Q，则下层边所在的槽号为n+τ-Q。

本实施例中，考虑到每一相的故障检测绕组2仅由1个线圈组成，每一相的主电枢绕组3由3个线圈串联而成。三相的故障检测绕组2在空间上彼此互差120°，三相的主电枢绕组3在空间上也彼此互差120°。因此，A、B、C三相绕组的展开图分别如图2、图3、图4所示。图中，A相绕组由故障检测绕组A1-X1和主电枢绕组A2-X2组成；B相绕组由故障检测绕组B1-Y1和主电枢绕组B2-Y2组成；C相绕组由故障检测绕组C1-Z1和主电枢绕组C2-Z2组成。

图5为本实施例中永磁电机正常工作时的接线示意图。永磁电机运行前，首先需在接线盒9内将电机故障检测绕组2和主电枢绕组3进行串联，即将X1和A2、Y1和B2、Z1和C2用导线连接。假设此时电机内部绕组为Y型连接，则需将X2、Y2、Z2进行连接，再将A1、B1、C1连接至三相交流电源11。

图6为本实施例中永磁电机故障检测时的接线情况。运行前，首先需断开电源，即将A1、B1、C1接线端与三相交流电源11断开。再将接线盒9内所有接线端之间的导线断开，即将X2-Y2-Z2以及X1-A2、Y1-B2、Z1-C2之间的连接导线拆除。最后将故障检测绕组2两端A1-X1、B1-Y1、C1-Z1分别连接到示波器12上。

基于图6所示的接线方式，将电机转子匀速旋转，通过示波器12观察三相故障检测绕组2的反电动势波形来判断永磁电机故障情况。永磁电机故障判断方法为：

(1)若每相反电动势波形相同，近似正弦波或梯形波，正半周期和负半周期波形对称，说明电机不存在永磁体退磁和偏心情况；

(2)若每相反电动势波形均相同，但正半周期和负半周期不对称，存在明显凹陷，说明电机存在永磁体局部退磁故障，且有几处凹陷即说明永磁体有几处局部退磁，凹陷越深，永磁体局部退磁越严重；

(3)若每相反电动势波形正半周期和负半周期对称，但每相的反电动势波形幅值不同，说明电机存在转子偏心的故障，且各相反电动势幅值差异越大，转子偏心越严重。

根据上述故障判断方法，图7、图8、图9分别给出了三种情况的波形示意图。

如图7所示，该电机三相反电动势波形相同，近似正弦波，正半周期和负半周期波形对称，说明电机不存在永磁体退磁和偏心情况，电机无永磁体退磁或转子偏心故障；

如图8所示，该电机三相反电动势波形均相同，但正半周期和负半周期不对称，每个波形在每个周期内均存在2个明显凹陷，说明该电机存在2处永磁体局部退磁故障；

如图9所示，该电机三相反电动势波形正半周期和负半周期对称，三相的反电动势波形幅值均不同，说明电机存在转子偏心的故障。

以上以本发明的实施例为中心，详细介绍了本发明的具体应用过程，所描述的永磁电机结构和故障检测方法的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是针对给出实施例的永磁电机来描述本发明，实际上对于不同类型永磁电机进行分析时某些细节上会有所变化，这些变化应该属于本发明范围内。

Claims (7)

1.一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构，其特征在于，包括每相交叉排列的故障检测绕组和主电枢绕组。

2.根据权利要求1所述的一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构，其特征在于，所述故障检测绕组和主电枢绕组中的每个线圈的节距和匝数相同。

3.根据权利要求1所述的一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构，其特征在于，每一相的故障检测绕组由一个线圈组成；所述每一相的故障检测绕组之间在空间上对称分布。

4.根据权利要求1所述的一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构，其特征在于，每一相的主电枢绕组由一个或多个线圈串联而成；所述每一相的主电枢绕组之间在空间上对称分布。

5.根据权利要求1所述的一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构，其特征在于，所述结构还包括定子铁心和转轴；

所述定子铁心和转轴之间依次设置有永磁体磁极和转子铁心。

6.根据权利要求5所述的一种可检测永磁体退磁和转子偏心故障的永磁电机结构，其特征在于，所述定子铁心外设置有机壳，机壳上还设置有接线盒，机壳固定连接有底座。

7.一种永磁电机故障的判断方法，其特征在于，所述方法包括：

若每相反电动势波形相同，且正半周期和负半周期波形对称，则不存在永磁体退磁和偏心故障；

若每相反电动势波形相同，但正半周期和负半周期不对称，且存在凹陷，则存在永磁体局部退磁故障；

若每相反电动势波形正半周期和负半周期对称，但每相的反电动势波形幅值不同，则存在转子偏心故障。