CN112926225B - 一种交流电机高频轴电流的建模及参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流电机高频轴电流的建模及参数测量方法。该方法包括：在三相交流电机的驱动端与非驱动端均设置绝缘轴承或者普通轴承，根据所述三相交流电机的电路关系和轴承油膜参数，建立所述三相交流电机的高频轴电流等效模型；基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数。本发明通过建立电机高频轴电流模型，使其更加符合高频时电机内部阻抗随频率的变化，进而提高预测变频驱动电机系统高频电磁干扰和轴电流问题的准确性。可以同时适用于采用普通轴承的电机和采用绝缘轴承的电机。

Description

一种交流电机高频轴电流的建模及参数测量方法

技术领域

本发明涉及交流电机技术领域，尤其涉及一种交流电机高频轴电流的建模及参数测量方法。

背景技术

PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)变频器因具有先进的控制策略以及良好的运行性能，变频驱动逐步取代正弦驱动并广发地应用到各个行业领域的驱动系统中。虽然变频驱动系统较正弦驱动系统而言具有明显优势，但其负面问题日益突显，引发人们的广泛关注，如电磁干扰及轴承电腐蚀问题。

PWM变频器内部采用高性能的功率半导体器件，如IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)开关器件。由于功率半导体器件快速开端的固有特性，变频器产生具有高电压变化率的共模电压，作用于交流电机绕组，并产生频率范围在几十千赫兹到几百千赫兹的共模电流。共模电流经定子绕组对定子铁芯电容、定子绕组对转子铁芯电容、转子铁芯到定子铁芯电容、轴承油膜电容，进而引起电磁干扰及轴电流问题。共模电压经电机内杂散电容，在轴承内外滚道间感应出轴电压。当轴电压超过润滑油膜击穿的极限电压时，在短时间内油膜发生击穿并释放大量的热量，使击穿点附近的金属熔化，进而产生坑蚀，缩短轴承寿命，危害交流电机的可靠运行。

轴电流引发的危害引起了运行商的广泛关注。为了克服变频驱动技术引发的电磁干扰、轴电流等问题，提高轴承使用寿命及系统的稳定运行，需要能够准确地对共模电流及轴电流进行预测。共模电流及轴电流预测的准确性取决于电路模型的准确性。高频时，轴电流的集中参数模型并不能准确地反应频率对交流电机内部阻抗的变化，进而不能准确地预测共模电流与轴电流。因此，建立一个满足交流电机阻抗频率响应的轴电流模型对共模电流与轴电流的预测十分重要。

现有技术中的一种交流电机的共模电流与轴电流的建模及参数测量方法为：以一台额定功率为240kW，转轴两端采用普通轴承的交流电机为例，建立了如图1所示的高频轴电流的等效模型。图1中，L_CM为共模电感；L_c为交流电机内部馈电导体和连接线电感；R_e为涡流损耗电阻；R_g为附加损耗电阻；C_wf1、C_wf0为定子绕组与机壳间杂散电容，其中C_wf1为高频时定子绕组与机壳间杂散电容，C_wf1与C_wf0之和为低频时定子绕组与机壳间杂散电容；C_wr1、C_wr2为定子绕组与转子间杂散电容，其中C_wr1为高频时定子绕组与转轴间杂散电容，C_wr1与C_wr2之和为低频时定子绕组与转子间杂散电容；C_rf为转轴与机壳间杂散电容；C_b,nd为非驱动端轴承油膜等效电容、C_b,d为驱动端轴承油膜等效电容。通过对三相绕组短接点与机壳间阻抗特性曲线的提取确定C_wf1、C_wf0；通过解析法推导出C_wr1、C_wr2、C_rf、C_b,nd、C_b,d等参数。

上述现有技术中的一种交流电机的共模电流与轴电流的测量方法的缺点为：

1、忽略了低频时三相绕组短接点与机壳端口的谐振电阻的影响

该方法在对交流电机进行高频轴电流模型时，仅仅考虑了高频时三相绕组短接点与机壳端口的谐振电阻的影响，忽略了三相绕组短接点与机壳端口的低频时谐振电阻的影响，造成实测与仿真的三相绕组短接点与机壳端口的阻抗特性曲线在低频段的串联谐振的阻抗不同。

2、忽略了匝间电容和匝间电阻的影响

该方法在对交流电机的定子绕组时，忽略了匝间电容和匝间电阻的影响，进而造成共模端口的实测与仿真阻抗特性曲线的并联谐振点的阻抗值存在较大差异。

3、轴承模型仅适用于安装了普通轴承的交流电机

该方法仅适用于普通轴承。在交流电机的实际运行中，为了抑制轴承电腐蚀，通常采用绝缘轴承。现有技术无法对绝缘轴承的建模提供指导，因此，存在一定的局限性。

发明内容

本发明的实施例提供了一种交流电机高频轴电流的建模及参数测量方法，以实现准确地预测交流电机系统的高频电磁干扰和轴电流问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种交流电机高频轴电流的建模及参数测量方法，包括：

在三相交流电机的驱动端与非驱动端均设置绝缘轴承或者普通轴承，根据所述三相交流电机的电路关系和轴承油膜参数，建立所述三相交流电机的高频轴电流等效模型；

基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数。

优选地，所述三相交流电机的高频轴电流等效模型包括，共模电感L_CM；定子绕组匝间电容C_ww；定子绕组匝间电阻R_ww；涡流损耗电阻R_e；定子绕组与机壳间杂散电容C_wf1、C_wf0，其中C_wf1为高频时定子绕组与机壳间杂散电容，C_wf1与C_wf0之和为低频时定子绕组与机壳间杂散电容；定子绕组与机壳间高频和低频时寄生电阻R_wf1、R_wf2；定子绕组与转子间杂散电容C_wr1、C_wr2，其中C_wr1为高频时定子绕组与转轴间杂散电容，C_wr1与C_wr2之和为低频时定子绕组与转子间杂散电容；转轴与机壳间杂散电容C_rf；非驱动端与驱动端轴承绝缘涂层电容C_iso,nd、C_iso,d；非驱动端与驱动端轴承电阻R_b,nd、R_b,d；非驱动端与驱动端油膜击穿等效电阻R_nd,b、R_d,b；

C_wr1、C_wf1和R_wf1串联连接，C_wr2、C_wf0和R_wf0串联连接，C_ww和R_ww的串联电路、共模电感L_CM和涡流损耗电阻R_e设置在C_wr1和C_wr2之间，C_ww和R_ww的串联电路、L_CM和R_e并联连接，C_b,nd、C_iso,nd和R_b,nd串联连接，C_b,d、C_iso,d和R_b,d串联连接，k₁、R_nd,b的串联电路和C_b,nd并联连接，k₂、R_d,b的串联电路和C_b,d并联连接；

轴承油膜发生放电击穿时，开关k₁、k₂闭合；反之，开关k₁、k₂断开。

优选地，所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数，包括：

当交流电机静止时，轴承滚动体与内外滚道间没有形成润滑油膜，存在金属性接触，k₁断开，C_b,nd被短接，k₂断开，C_b,d被短接，建立交流电机静止时的高频轴电流等效模型；

将交流电机底部进行绝缘隔离，将交流电机定子三相绕组短接，利用阻抗分析仪在全频段内测量定子三相绕组短接点与机壳间阻抗的幅频与相频响应曲线，测量三相绕组短接点与转轴间阻抗的幅频与相频响应曲线，测量转轴与机壳间阻抗的幅频与相频响应曲线，将定子任意两相绕组短接，利用阻抗分析仪全频段测量定子两相绕组短接点与未短接绕组间阻抗的幅频与相频响应曲线。

优选地，所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数，还包括：

利用工装将转子从交流电机定子中取出，进行轴承阻抗测试；

利用阻抗分析仪全频段分别测量驱动端与端盖间、非驱动端与端盖间的，根据串联谐振的特性方程获取绝缘涂层电容与轴承自身电阻。

优选地，所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数，还包括：

利用三相绕组短接点与机壳端口之间的阻抗特性曲线进行模型参数提取：

定义低频段为阻抗特性曲线中第一次串联谐振点前的频段，中频段为阻抗特性曲线中两串联谐振间的发生并联谐振的频段，高频段为阻抗特性曲线中第二次串联谐振点后的频段；

低频段内，三相绕组短接点与机壳间的端口等效电容记为C_wf,low，三相绕组短接点与机壳间的端口等效电容C_wf,low与共模电感L_CM引起低频时的串联谐振，谐振电阻记为R_wf0；中频段内，共模电感与匝间电容引起并联谐振，谐振阻抗即为定子绕组匝间电阻R_ww；高频段内，共模电感L_CM的感抗大，三相绕组短接点与机壳间的端口等效电容记为C_wf,high，其值等于C_wf1，阻抗分析仪测量表笔的电感与高频时定子绕组与机壳间杂散电容C_wf1引起高频时的串联谐振，此时的谐振电阻记为R_wf1。

优选地，所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流的参数，还包括：

利用两相绕组短接点与未短接绕组之间的阻抗特性曲线进行模型参数提取：

在绕组的共模电感两端并联匝间电容与匝间电阻的串联支路，根据定子两相绕组短接点与未短接绕组之间的阻抗特性曲线的最大阻抗值Z_max提取谐振电阻R_e，R_e为九分之二倍的Z_max。

优选地，所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数，还包括：

选取三相绕组短接点与转轴间阻抗特性曲线在第一次串联谐振前，即低频段的阻抗值为绕组与转轴间容抗容抗，获得定子绕组与转轴间低频时等效电容C_wr,low，根据转轴与机壳间阻抗特性的低频段获得端口间的低频等效电容C_rf,low；

低频时，将共模电感用理想导线代替，将L_CM、C_ww、R_ww和R_e所在支路短接，将R_wf0、R_wf1、R_nd,b和R_d,b短接，′_rf＝C_iso,nd+C_iso,d+C_rf；

低频时转轴与机壳之间的三个端口的等效电容C_wr,low、C_rf,low、C_wf,low与内部杂散电容的关系如公式(1)所示：

高频时，C_wf1和(C_wf0+C_wf1)的比值与C_wr1和C_wr的比值相同，定义这一比值为k，则：

根据C_wr＝C_wr1+C_wr2，确定C_wr1、C_wr2。

优选地，所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数，还包括：

利用工装将转子从定子中取出，利用阻抗分析仪测量驱动端与端盖间、非驱动端与端盖间的阻抗特性，利用串联谐振的特点提取绝缘轴承涂层电容C_iso,nd、C_iso,d与轴承电阻R_nd,b、R_d,b，根据公式C′_rf＝C_iso,nd+C_iso,d+C_rf分离出转轴对机壳杂散电容C_rf；

提取轴承油膜电容和击穿电阻参数；

将上述分离的参数代入所述高频轴电流等效模型中，完成所述三相交流电机的高频轴电流建模。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的方法通过建立电机高频轴电流模型，使其更加符合高频时电机内部阻抗随频率的变化，进而提高预测变频驱动电机系统高频电磁干扰和轴电流问题的准确性。本发明实施例的方法基于多导体部分理论，从端口电容网络对交流电机内部杂散电容进行提取，可以考虑多导体间电场耦合的影响。同时适用于采用普通轴承的电机和采用绝缘轴承的电机。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种高频轴电流的等效模型示意图；

图2为本发明实施例提供的一种交流电机高频轴电流等效模型示意图；

图3为本发明实施例提供的一种交流电机高频轴电流等效模型的参数的提取流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种静止时高频轴电流的基本等效电路示意图；

图5为本发明实施例提供的一种利用阻抗分析仪全频段测量三相绕组短接点与机壳间阻抗的幅频与相频响应曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的一种利用阻抗分析仪全频段测量三相绕组短接点与转轴间阻抗的幅频与相频响应曲线示意图。

图7为本发明实施例提供的一种利用阻抗分析仪全频段测量转轴与机壳间阻抗的幅频与相频响应曲线示意图。

图8为本发明实施例提供的一种利用阻抗分析仪全频段测量定子两相绕组短接点与未短接绕组间阻抗的幅频与相频响应曲线示意图；

图9为本发明实施例提供的一种利用阻抗分析仪全频段分别测量驱动端与端盖、非驱动端与端盖间阻抗的幅频与相频响应曲线示意图；

图10为本发明实施例提供的一种低频时定子绕组、转轴、机壳三个端口间等效电容网络示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

针对以上缺点，本发明建立了一个有关交流电机高频轴电流的通用建模方法，即：既适用于采用绝缘轴承的交流电机，也适用于采用普通轴承的交流电机。同时，使定子三相绕组短接点与机壳端口、三相绕组短接点与转轴端口、转轴与机壳端口的阻抗特性与实测的阻抗特性更加吻合，进而更好地预测交流电机轴电流，提高轴承使用寿命。

共模电压：采用PWM控制技术的变频器输出电压为一系列脉冲，用于控制交流电机运行时，变频器与交流电机三相绕组相连，在交流电机绕组中点处与地之间将存在电压差，这就是共模电压V_com，也可以视作即变频器输出的零序电压。其大小为V_com＝(V_u+V_v+V_w)/3，其中V_u、V_v和V_w为交流电机三相的相对地电压，由于变频器输出为矩形脉冲，V_u、V_v和V_w在任意不可能对称，V_com任意时刻也不为零。

轴电压：轴电压有两种定义，一种为转轴与机壳之间的电压差，即轴承内外滚道之间的电压，另一种为轴的两端之间的电压差，本发明中为第一种。

轴电流：当轴承内外滚道间的电压大于轴承油膜能承受的阈值电压时，轴承润滑油膜被击穿，击穿瞬间产生轴承击穿电流，简称轴电流。

串联谐振：电阻、电容、电感串联时，当满足容抗与感抗相等时，阻抗最小，即：发生串联谐振。

并联谐振：电阻、电容、电感并联时，当满足容抗与感抗相等时，阻抗最大，即：发生并联谐振。

本发明以驱动端与非驱动端均采用绝缘轴承的三相交流电机为例进行介绍。依据电路关系，从三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出电路中各元件的参数，并结合轴承油膜参数，建立如图2所示的交流电机高频轴电流等效模型。

图2中，L_CM为共模电感；C_ww为定子绕组匝间电容；R_ww为定子绕组匝间电阻；R_e为涡流损耗电阻；C_wf1、C_wf0为定子绕组与机壳间杂散电容，其中C_wf1为高频时定子绕组与机壳间杂散电容，C_wf1与C_wf0之和为低频时定子绕组与机壳间杂散电容；R_wf1、R_wf2分别为定子绕组与机壳间高频和低频时寄生电阻；C_wr1、C_wr2为定子绕组与转子间杂散电容，其中C_wr1为高频时定子绕组与转轴间杂散电容，C_wr1与C_wr2之和为低频时定子绕组与转子间杂散电容；C_rf为转轴与机壳间杂散电容；C_iso,nd、C_iso,d为非驱动端与驱动端轴承绝缘涂层电容；R_b,nd、R_b,d为非驱动端与驱动端轴承电阻；R_nd,b、R_d,b分别为非驱动端与驱动端油膜击穿等效电阻。

C_wr1、C_wf1和R_wf1串联连接，C_wr2、C_wf0和R_wf0串联连接，C_ww和R_ww的串联电路、共模电感L_CM和涡流损耗电阻R_e设置在C_wr1和C_wr2之间，C_ww和R_ww的串联电路、L_CM和R_e并联连接，C_b,nd、C_iso,nd、R_b,nd串联连接，C_b,d、C_iso,d、R_b,d串联连接，k₁、R_nd,b的串联电路和C_b,nd并联连接，k₂、R_d,b的并联电路和C_b,d并联连接。R_wf0为三相绕组短接点与机壳间谐振电阻，目的使模型的阻抗幅频特性曲线的第一个串联谐振阻抗与实测的谐振阻抗匹配，C_b,nd为非驱动端轴承滚动体与轴承内外滚道间的油膜电容的等效参数，C_b,d为驱动端轴承滚动体与轴承内外滚道间的油膜电容。

轴承油膜发生放电击穿时开关k₁、k₂闭合，反之开关断开。

上述模型中的各种参数根据图3所示流程进行提取。

第一步，建立交流电机静止时的高频轴电流等效模型。

当交流电机静止时，轴承滚动体与内外滚道间没有形成润滑油膜，即存在金属性接触，图2轴承油膜电容元件被短接，图4为本发明实施例提供的一种静止时高频轴电流的基本等效电路示意图。在电容C_wf1和C_wf0电容支路分别存在谐振电阻R_wf1和R_wf0，使仿真获取的三相绕组短接点与机壳端口的串联谐振值与实测的串联谐振值更加吻合。

第二步，利用阻抗分析仪，进行整机阻抗测试。

将交流电机底部进行绝缘隔离，并进行如下操作：

首先，将交流电机定子三相绕组短接，利用阻抗分析仪在全频段内测量定子三相绕组短接点与机壳间阻抗的幅频与相频响应曲线，接线方式如图5所示。接着，利用阻抗分析仪在全频段测量三相绕组短接点与转轴间阻抗的幅频与相频响应曲线，接线方式如图6所示。然后，利用阻抗分析仪全频段测量转轴与机壳间阻抗的幅频与相频响应曲线，接线方式如图7所示。最后，将定子任意两相绕组短接，利用阻抗分析仪全频段测量定子两相绕组短接点与未短接绕组间阻抗的幅频与相频响应曲线，接线方式如图8所示。

第三步，利用工装将转子从交流电机定子中取出，进行轴承阻抗测试。

利用阻抗分析仪全频段分别测量驱动端与端盖间、非驱动端与端盖间阻抗的幅频与相频响应曲线，接线方式如图9所示。根据串联谐振的特性方程获取绝缘涂层电容与轴承自身电阻。

第四步，模型参数提取，根据各端口阻抗幅频响应曲线与相频响应曲线获得等效网络参数。

(1)利用三相绕组短接点与机壳端口之间的阻抗特性曲线进行模型参数提取。

定义低频段为阻抗特性曲线中第一次串联谐振点前的频段，中频段为阻抗特性曲线中两串联谐振间的发生并联谐振的频段，高频段为阻抗特性曲线中第二次串联谐振点后的频段。

低频段内，图4中共模电感L_CM的感抗较小，三相绕组短接点与机壳间的端口等效电容记为C_wf,low。三相绕组短接点与机壳间的端口等效电容C_wf,low与共模电感L_CM引起低频时的串联谐振，此时的谐振电阻记为R_wf0。中频段内，共模电感与匝间电容引起并联谐振，此时的谐振阻抗即为定子绕组匝间电阻R_ww。高频段内，共模电感L_CM的感抗较大，近似开路。高频时，共模电感L_CM的感抗较小，三相绕组短接点与机壳间的端口等效电容记为C_wf,high，其值等于C_wf1。此时，阻抗分析仪测量表笔的电感与高频时定子绕组与机壳间杂散电容C_wf1引起高频时的串联谐振，此时的谐振电阻记为R_wf1。

(2)利用两相绕组短接点与未短接绕组之间的阻抗特性曲线进行模型参数提取。

在三相绕组与机壳间的阻抗幅频特性曲线中，存在两个开口向下的串联谐振及一个开口向上的并联谐振。在三相绕组与机壳间的阻抗幅频特性曲线中，并联谐振的谐振阻抗即为定子绕组匝间电阻R_ww。在共模电感L_CM已知的情况下，根据谐振条件获取匝间电容C_ww，因此，在绕组的共模电感L_CM两端并联了匝间电容C_ww与匝间电阻R_ww的串联支路，能够考虑三相绕组短接点与机壳端口阻抗特性曲线中的并联谐振点。根据定子两相绕组短接点与未短接绕组之间的阻抗特性曲线的最大阻抗值Z_max可提取谐振电阻R_e。由等效电路可得，R_e为九分之二倍的Z_max。谐振电阻R_e为定子两相绕组短接点与未短接绕组之间的阻抗特性曲线的最大阻抗值Z_max。谐振电阻R_wf0为三相绕组短接点与机壳间幅频响应曲线的第一个谐振点。谐振电阻R_e反映的是差模特性曲线，谐振电阻R_wf0反映的是共模特性曲线。

(3)利用定子三相绕组短接点、转轴、机壳间端口阻抗特性曲线的低频段进行模型参数提取。基于多导体部分电容理论，从端口等效电容对交流电机内部杂散电容进行提取，考虑了多导体间电场耦合的影响。

选取三相绕组短接点与转轴间阻抗特性曲线在第一次串联谐振前，即低频段，最接近-90°时的阻抗值，近似认为该值为绕组与转轴间容抗容抗，进而可获得定子绕组与转轴间低频时等效电容，记为C_wr,low。同理，根据转轴与机壳间阻抗特性的低频段，可以获得端口间的低频等效电容为C_rf,low。

低频时，共模电感影响较小，可将图4中共模电感可近似用理想导线代替，即：将L_CM、C_ww、R_ww、R_e所在支路短接。同时，由于利用各端口相角接近-90°的阻抗幅值，可忽略图中电阻，即R_wf0、R_wf1、R_nd,b、R_d,b短接。同时，为了便于分析，定义：C′_rf＝C_iso,nd+C_iso,d+C_rf。

低频时定子绕组、转轴、机壳三个端口间等效电容网络如图10所示。

低频时转轴与机壳之间的三个端口的等效电容C_wr,low、C_rf,low、C_wf,low与内部电容的关系如公式(1)所示：

由于共模电感对频率较为敏感，当频率较低时，共模电感的感抗较小，可近似忽略共模电感，即：定子全部绕组均会与定子铁心及在整个转子圆周形成寄生电容；高频时，共模电感的感抗增加，致使电流无法流通整个绕组，因此，仅有绕组入端的若干线圈与定子铁心间电容C_wf1及转子电容C_wr1起作用，同时，意味着高频时，C_wf1和(C_wf0+C_wf1)的比值与C_wr1和C_wr的比值相同，定义这一比值为k，则：

同时，由于C_wr＝C_wr1+C_wr2，可以确定出C_wr1、C_wr2。

(4)利用工装将转子从定子中取出，分别利用阻抗分析仪测量驱动端与端盖间、非驱动端与端盖间的阻抗特性。利用串联谐振的特点提取绝缘轴承涂层电容C_iso,nd、C_iso,d与轴承电阻R_nd,b、R_d,b。进而根据公式C′_rf＝C_iso,nd+C_iso,d+C_rf分离出转轴对机壳杂散电容C_rf。

(5)提取轴承油膜电容和击穿电阻参数，可通过计算方法获取该参数。

(6)将所求参数带入模型中，完成高频轴电流建模。

综上所述，本发明实施例的方法通过建立电机高频轴电流模型，使其更加符合高频时电机内部阻抗随频率的变化，进而提高预测变频驱动电机系统高频电磁干扰和轴电流问题的准确性。

本发明实施例的适用范围更广泛，同时适用于采用普通轴承的交流电机和采用绝缘轴承的交流电机。当交流电机采用普通轴承，等效模型中可将图2中轴承绝缘涂层的电容C_iso,d、C_iso,nd短接。为测试定子绕组、转轴、机壳间端口阻抗特性，需保持转轴与机壳间绝缘，可将普通轴承替换成塑料轴承或利用其他绝缘物体隔离转轴与机壳。在此基础上进行端口阻抗测试。此时，可以不进行拆机测试，利用计算的方法获取轴承电阻。进而利用参数提取方法，完成建模。

本发明实施例的方法通过在C_wf0，C_wf1所在支路添加谐振电阻R_wf0，R_wf1，以及在共模电感支路并联匝间电容和匝间电阻，使得三相绕组短接点与机壳端口的实测与仿真获得的阻抗特性曲线的匹配情况更好，提高了建模的准确性。

本发明实施例的方法基于多导体部分理论，从端口电容网络对交流电机内部杂散电容进行提取，可以考虑多导体间电场耦合的影响。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种交流电机高频轴电流的建模及参数测量方法，其特征在于，包括：

在三相交流电机的驱动端与非驱动端均设置绝缘轴承或者普通轴承，根据所述三相交流电机的电路关系和轴承油膜参数，建立所述三相交流电机的高频轴电流等效模型；

基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数；

所述三相交流电机的高频轴电流等效模型包括，共模电感L_CM；定子绕组匝间电容C_ww；定子绕组匝间电阻R_ww；涡流损耗电阻R_e；定子绕组与机壳间杂散电容C_wf1、C_wf0，其中C_wf1为高频时定子绕组与机壳间杂散电容，C_wf1与C_wf0之和为低频时定子绕组与机壳间杂散电容；定子绕组与机壳间高频和低频时寄生电阻R_wf1、R_wf2；定子绕组与转子间杂散电容C_wr1、C_wr2，其中C_wr1为高频时定子绕组与转轴间杂散电容，C_wr1与C_wr2之和为低频时定子绕组与转子间杂散电容；转轴与机壳间杂散电容C_rf；非驱动端与驱动端轴承绝缘涂层电容C_iso,nd、C_iso,d；非驱动端与驱动端轴承电阻R_b,nd、R_b,d；非驱动端与驱动端油膜击穿等效电阻R_nd,b、R_d,b；

C_wr1、C_wf1和R_wf1串联连接，C_wr2、C_wf0和R_wf0串联连接，C_ww和R_ww的串联电路、共模电感L_CM和涡流损耗电阻R_e设置在C_wr1和C_wr2之间，C_ww和R_ww的串联电路、L_CM和R_e并联连接，C_b,nd、C_iso,nd和R_b,nd串联连接，C_b,d、C_iso,d和R_b,d串联连接，k₁、R_nd,b的串联电路和C_b,nd并联连接，k₂、R_d,b的串联电路和C_b,d并联连接；

轴承油膜发生放电击穿时，开关k₁、k₂闭合；反之，开关k₁、k₂断开；

所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数，包括：

当交流电机静止时，轴承滚动体与内外滚道间没有形成润滑油膜，存在金属性接触，k₁断开，C_b,nd被短接，k₂断开，C_b,d被短接，建立交流电机静止时的高频轴电流等效模型；

将交流电机底部进行绝缘隔离，将交流电机定子三相绕组短接，利用阻抗分析仪在全频段内测量定子三相绕组短接点与机壳间阻抗的幅频与相频响应曲线，测量三相绕组短接点与转轴间阻抗的幅频与相频响应曲线，测量转轴与机壳间阻抗的幅频与相频响应曲线，将定子任意两相绕组短接，利用阻抗分析仪全频段测量定子两相绕组短接点与未短接绕组间阻抗的幅频与相频响应曲线；

所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数，还包括：

利用工装将转子从交流电机定子中取出，进行轴承阻抗测试；

利用阻抗分析仪全频段分别测量驱动端与端盖间、非驱动端与端盖间阻抗的幅频与相频响应曲线，根据串联谐振的特性方程获取轴承绝缘涂层电容与轴承自身电阻；

所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数，还包括：

利用三相绕组短接点与机壳端口之间的阻抗特性曲线进行模型参数提取：

定义低频段为阻抗特性曲线中第一次串联谐振点前的频段，中频段为阻抗特性曲线中两串联谐振间的发生并联谐振的频段，高频段为阻抗特性曲线中第二次串联谐振点后的频段；

低频段内，三相绕组短接点与机壳间的端口等效电容记为C_wf,low，三相绕组短接点与机壳间的端口等效电容C_wf,low与共模电感L_CM引起低频时的串联谐振，谐振电阻记为R_wf0；中频段内，共模电感与匝间电容引起并联谐振，谐振阻抗即为定子绕组匝间电阻R_ww；高频段内，共模电感L_CM的感抗大，三相绕组短接点与机壳间的端口等效电容记为C_wf,high，其值等于C_wf1，阻抗分析仪测量表笔的电感与高频时定子绕组与机壳间杂散电容C_wf1引起高频时的串联谐振，此时的谐振电阻记为R_wf1；

所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流的参数，还包括：

利用两相绕组短接点与未短接绕组之间的阻抗特性曲线进行模型参数提取：

在绕组的共模电感两端并联匝间电容与匝间电阻的串联支路，根据定子两相绕组短接点与未短接绕组之间的阻抗特性曲线的最大阻抗值Z_max提取谐振电阻R_e，R_e为九分之二倍的Z_max；

所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数，还包括：

选取三相绕组短接点与转轴间阻抗特性曲线在第一次串联谐振前，即低频段的阻抗值为绕组与转轴间容抗，获得定子绕组与转轴间低频时等效电容C_wr,low，根据转轴与机壳间阻抗特性的低频段获得端口间的低频等效电容C_rf,low；

低频时，将共模电感用理想导线代替，将L_CM、C_ww、R_ww和R_e所在支路短接，将R_wf0、R_wf1、R_nd,b和R_d,b短接，C′_rf＝C_iso,nd+C_iso,d+C_rf；

低频时转轴与机壳之间的三个端口的等效电容C_wr,low、C_rf,low、C_wf,low与内部杂散电容的关系如公式(1)所示：

高频时，C_wf1和(C_wf0+C_wf1)的比值与C_wr1和C_wr的比值相同，定义这一比值为k，则：

根据C_wr＝C_wr1+C_wr2，确定C_wr1、C_wr2；

所述的基于所述高频轴电流等效模型，从所述三相交流电机的三相绕组短接点与机壳、三相绕组短接点与转轴、转轴与机壳三个端口的测试数据中分离出交流电机高频轴电流等效模型中的参数，还包括：

利用工装将转子从定子中取出，分别测量驱动端与端盖间、非驱动端与端盖间阻抗的幅频与相频响应曲线，利用串联谐振的特点提取绝缘轴承涂层电容C_iso,nd、C_iso,d与轴承电阻R_nd,b、R_d,b，根据公式C_r′_f＝C_iso,nd+C_iso,d+C_rf分离出转轴对机壳杂散电容C_rf；

提取轴承油膜电容和击穿电阻参数；

将上述分离的参数代入所述高频轴电流等效模型中，完成所述三相交流电机的高频轴电流建模。