CN113218300A - 一种圆筒型直线电机偏心检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆筒型直线电机偏心检测装置及方法，所述装置包括：设于圆筒型直线电机定子上的感应电动势产生设备；用于采集所述感应电动势产生设备所产生的感应电动势的感应电动势采集设备；用于获取所述感应电动势采集设备所采集的数据，并进行分析处理，进而得到圆筒型直线电机的偏心故障的感应电动势处理设备；所述感应电动势产生设备、感应电动势采集设备和感应电动势处理设备依次连接。所述方法通过对感应电动势信号做FFT快速傅氏变换处理，求出各层各相检测线圈感应电动势的幅度谱，对其进行计算分析，进而得到圆筒型直线电机的偏心种类、偏心方向和偏心程度。本发明结构简单，成本低，检测速度快，且检测准确度高。

Description

一种圆筒型直线电机偏心检测装置及方法

技术领域

本发明涉及圆筒型直线电机技术领域，尤其涉及一种圆筒型直线电机偏心检测装置及方法。

背景技术

圆筒型直线电机是旋转电机在结构上的演变。旋转电机沿径向剖开拉直，就形成了平板型直线电机。将扁平的电机卷绕在与磁场运动方向平行的轴上，就构成了圆筒型直线电机。

直线电机是将电能直接转变为直线运动的机械能，而不需要中间变换装置，结构简单。与普通旋转电机和扁平型直线电机不同，圆筒型直线永磁电机不存在端部绕组，定子绕组利用率高，并且没有横向边缘效应，不存在端部漏磁及附加阻抗。理想情况下，圆柱形动子径向拉力互相抵消，也不存在单边磁拉力问题。

然而，由于制造装配过程中的误差以及电机运行过程中所受的横向冲击力的影响，圆筒型永磁直线电机定子与动子轴线易发生偏移，导致偏心，引起气隙磁密的不均匀分布，致使电机气隙磁密沿周向和沿轴向将发生畸变，使动子产生扭曲和剪切应力，产生振动噪声，加剧电机损耗等。动子偏心故障引起的各种问题将时刻影响着电机的长期的安全稳定运行。因此，研究圆筒型永磁直线电机偏心状态下的偏心检测，具有非常重要的理论和实际意义。

电机气隙偏心故障的研究不仅对准确进行在线诊断与监测有着重要的作用，同时对深入研究偏心故障的机理，继而开发抑制气隙偏心的新技术，甚至气隙调节控制技术等有着深远的意义。

对于气隙偏心故障检测方法的研究，从检测方式来看，主要有两个方面，一种是非侵入式检测，另一种是侵入式检测。非侵入式检测，通过电机现有参数或者传感器参数进行检测，准确性差，且大多方法无法判断检测偏心方向和偏心程度。侵入式检测，主要通过检测线圈漏磁的变化来对其进行偏心检测。

但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

现有的非侵入式检测和侵入式检测都是针对于旋转电机，且现有的检测方法都是集中在漏磁频谱和电流频谱上，还没有针对圆筒型永磁直线电机的偏心故障检测方法。

发明内容

本申请实施例通过提供一种圆筒型直线电机偏心检测装置及方法，填补了现有技术中检测方法都是针对于旋转电机、还没有针对圆筒型永磁直线电机的偏心故障检测方法的空白。本申请提供的装置及方法能针对圆筒形直线电机偏心进行检测，能同时诊断电机的偏心种类、偏心方向和偏心程度，且检测速度快、准确性好。

本申请实施例提供了一种圆筒型直线电机偏心检测装置，包括：

设于所述圆筒型直线电机定子上的感应电动势产生设备；

用于采集所述感应电动势产生设备所产生的感应电动势的感应电动势采集设备；

用于获取所述感应电动势采集设备所采集的数据，并进行分析处理，进而得到圆筒型直线电机的偏心故障的感应电动势处理设备；

所述感应电动势产生设备、感应电动势采集设备和感应电动势处理设备依次连接。

优选地，所述感应电动势产生设备包括检测线圈，所述检测线圈设于圆筒型直线电机的外定子槽内，所述检测线圈包括上、中、下三层，每层的检测线圈成圆形布置，每层布置p个检测线圈，p为大于等于4的偶数。

更优选地，相邻所述检测线圈端部紧贴。

优选地，所述感应电动势采集设备为示波器，所述示波器输入端连接所述感应电动势产生设备。

优选地，所述感应电动势处理设备包括互相连接的存储器和处理器，所述存储器与所述感应电动势采集设备输出端连接。

本申请实施例还提供了一种圆筒型直线电机偏心检测方法，采用上述的圆筒型直线电机偏心检测装置，所述方法步骤为：

启动圆筒型直线电机，检测线圈产生感应电动势；

感应电动势采集设备采集所述感应电动势信号并发送至感应电动势处理设备；

感应电动势处理设备对所述感应电动势信号做FFT快速傅氏变换处理，求出各层各相检测线圈感应电动势的幅度谱，对其进行计算分析，进而得到圆筒型直线电机的偏心种类、偏心方向和偏心程度。

优选地，所述对感应电动势信号做FFT快速傅氏变换处理，求出各层各相检测线圈感应电动势的幅度谱的具体过程为：

将上、中、下三层第i相检测线圈测得的感应电动势分别记为时序数n的函数u_hi(n)、u_mi(n)、u_li(n)，其中i＝1,2,…,p，p为大于等于4的偶数，对它们分别做FFT快速傅氏变换处理：

其中U_hi(k)、U_mi(k)、U_li(k)分别为上、中、下层第i相检测线圈测得的感应电动势经FFT求得的频谱序列，N为FFT的点数，k为FFT求出频谱序列的序数，k＝0,1,…,N-1；

根据频谱序列U_hi(k)、U_mi(k)、U_li(k)求出上、中、下层第i相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值U^* _ki、U^* _mi、U^* _li：

进一步地，圆筒型直线电机的偏心种类包括静偏心和斜偏心，所述静偏心检测的具体计算分析过程为：

A、静偏心方向检测

静偏心的方向根据中层检测线圈感应电动势幅度谱的最大值U^* _mi确定：若中层第i_s相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值

是所有p相检测线圈中最大的，即：

则静偏心方向为定子圆心指向第i_s相检测线圈的方向；

B、静偏心程度计算

记中层第i_s相检测线圈的对侧为中层第i_ss相检测线圈，由于检测线圈相数p为偶数，因此可通过如下公式计算i_ss：

根据公式(2)、(5)计算中层第i_ss相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值

结合

可定义静偏心程度检测指标U_s：

U_s与静偏心程度e_s之间符合以下关系：

e_s＝aU_s+b (10)

其中a、b均为常数，与电机本身属性相关。

更进一步地，所述斜偏心检测的具体计算分析过程为：

A、斜偏心方向检测

斜偏心的方向根据上、下层检测线圈感应电动势幅度谱的最大值U^* _ki、U^* _li确定：若上、下层第i_o相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值之差

所有p相检测线圈中最大的，即：

则电机中存在上端倾向上层第i_o相检测线圈、下端背离下层第i_o相检测线圈的斜偏心；

B、斜偏心程度计算

记上、下层第i_o相检测线圈的对侧为上、下层第i_oo相检测线圈，由于检测线圈相数p为偶数，因此可通过如下公式计算i_oo：

根据公式(1)、(3)、(4)、(6)计算上、下层第i_oo相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值之差

结合

可定义斜偏心程度检测指标U_o：

U_o与斜偏心程度e_o之间符合以下关系：

e_o＝cU_o+d (14)

其中c、d均为常数，与电机本身属性相关。

更进一步地，所述圆筒型直线电机的偏心类型检测方法如下：

当偏心类型未知时，通过判断静偏心程度检测指标U_s与斜偏心程度检测指标U_o是否大于一定的阈值，确定静偏心与斜偏心是否存在；

A)静偏心程度检测指标阈值U_s0根据电机理论上的斜偏心情况确定，计算方式分为下列三步：

第一步：根据斜偏心方向检测方法，找出理论上电机存在的斜偏心方向；

第二步：测量所述方向的斜偏心达到理论最大值时，中层各相检测线圈的感应电动势，通过公式(2)、(5)求所述感应电动势的幅度谱的最大值；

第三步：将所述感应电动势的幅度谱的最大值代入公式(7)-(9)，求出对应的静偏心程度检测指标，这一指标即为静偏心程度检测指标阈值U_s0；

B)斜偏心程度检测指标阈值U_o0根据电机理论上的静偏心情况确定，计算方式同样分为三步：

第一步：根据所述静偏心方向检测方法，找出理论上电机存在的静偏心方向；

第二步：测量所述方向的静偏心达到理论最大值时，上、下层各相检测线圈的感应电动势，然后通过公式(1)、(3)、(4)、(6)求所述感应电动势的幅度谱的最大值；

第三步：将所述感应电动势的幅度谱的最大值代入公式(11)-(13)，求出对应的斜偏心程度检测指标，这一指标即为斜偏心程度检测指标阈值U_o0；

当U_s>U_s0时，说明电机存在静偏心；

当U_o>U_o0时，说明电机存在斜偏心；

当U_s>U_s0与U_o>U_o0同时成立，说明电机存在混合偏心；

确定偏心类型后，根据所述的静偏心检测方法和斜偏心检测方法分别求出静偏心与斜偏心的方向、程度。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本申请提供了一种能针对圆筒形直线电机偏心进行检测的装置，装置结构简单，成本低，便于推广使用。

2、本申请提供了一种能针对圆筒形直线电机偏心进行检测的方法，通过感应电动势信号对圆筒形直线电机气隙偏心故障进行检测，运用侵入式检测，设计一种分层分相检测线圈的感应电动势的方法，对结果做FFT快速傅氏变换并处理，求出各层各相检测线圈感应电动势的幅度谱，对其进行计算分析处理，进而进行偏心诊断，能同时诊断电机的偏心种类、偏心方向和偏心程度。

3、本申请提供的检测装置及方法检测速度快、准确性高，为抑制气隙偏心技术及电机维护提供了技术支持。

附图说明

图1为本申请实施例中提供的圆筒型直线电机偏心检测装置的结构框图；

图2为本申请实施例中在圆筒型直线电机定子上布置上、中、下三层检测线圈示意图；

图3为本申请实施例中检测线圈结构示意图；

图4为本申请实施例中圆筒型直线电机偏心检测方法的流程图；

图5为不同静偏心下，中层各相检测线圈感应电动势幅度谱最大值示意图；

图6为e_s-U_s散点图与回归方程示意图；

图7为不同斜偏心下，上、下层各相检测线圈感应电动势幅度谱最大值之差示意图；

图8为e_o-U_o散点图与回归方程示意图；

图9为混合偏心下，上、下层各相检测线圈感应电动势幅度谱最大值之差示意图；

图10为最大斜偏心下，中层各相检测线圈感应电动势幅度谱最大值示意图；

图11为混合偏心下，中层各相检测线圈感应电动势幅度谱最大值示意图；

图12为最大静偏心下，上、下层各相检测线圈感应电动势幅度谱最大值之差示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种圆筒型直线电机偏心检测装置及方法，填补了现有技术中检测方法都是针对于旋转电机、还没有针对圆筒型永磁直线电机的偏心故障检测方法的空白。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

设计一种圆筒型直线电机偏心检测装置，在圆筒型直线电机定子上布置上中下三层，每层布置p个检测线圈，p为大于等于4的偶数，每层布置的检测线圈越多，偏心检测方向越准确。检测线圈与感应电动势采集设备连接，感应电动势采集设备再连接至感应电动势处理设备。

圆筒直线电机发生偏心故障时，电机的对称结构被破坏，定子与转子之间的气隙长度变得不均匀，根据圆筒型直线电机偏心下的检测线圈感应电动势参数变化，进行在线检测。

具体地，通过感应电动势信号对气隙偏心故障进行检测，运用侵入式检测，设计一种分层分相检测线圈的感应电动势的方法，对结果做FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)并处理，求出各层各相检测线圈感应电动势的幅度谱，对其进行计算分析，从而进行偏心诊断，能同时诊断圆筒型直线电机的偏心种类、偏心方向和偏心程度。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

图1为本申请实施例中提供的圆筒型直线电机偏心检测装置的结构框图，所述的圆筒型直线电机偏心检测装置包括：

设于所述圆筒型直线电机定子上的感应电动势产生设备；

用于采集所述感应电动势产生设备所产生的感应电动势的感应电动势采集设备；

用于获取所述感应电动势采集设备所采集的数据，并进行分析处理，进而得到圆筒型直线电机的偏心故障的感应电动势处理设备；

所述感应电动势产生设备、感应电动势采集设备和感应电动势处理设备依次连接。

结合图2，所述感应电动势产生设备包括检测线圈2，在圆筒型直线电机的外定子1的槽内布置上、中、下三层检测线圈2，每层布置p个检测线圈，p为大于等于4的偶数。每层布置的检测线圈越多，偏心检测方向越准确。

结合图3，单个检测线圈沿长度方向呈弧形结构。每层的检测线圈围成圆形布置。相邻检测线圈之间间隙越小，偏心检测方向越准确。

在某一优选的实施方式中，单个所述检测线圈的端部为平面结构，相邻所述检测线圈的端部紧贴，间隙为零。

所述感应电动势采集设备为示波器，示波器输入端连接检测线圈2，示波器采集检测线圈2的感应电动势信号，并在屏幕上显示感应电动势信号幅度随时间变化的波形曲线。

所述感应电动势处理设备包括互相连接的存储器和处理器，存储器与示波器输出端连接。存储器获取示波器输出的感应电动势信号并存储。处理器对所述感应电动势信号做FFT快速傅氏变换处理，求出各层各相检测线圈感应电动势的幅度谱，对其进行计算分析，从而进行偏心诊断，能同时诊断圆筒型直线电机的偏心种类、偏心方向和偏心程度。

图4为本申请实施例中圆筒型直线电机偏心检测方法的流程图，上述圆筒型直线电机偏心检测装置的检测方法如下：

启动圆筒型直线电机，检测线圈产生感应电动势。将上(h)、中(m)、下(l)三层第i相检测线圈测得的感应电动势分别记为时序数n的函数u_hi(n)、u_mi(n)、u_li(n)，其中i＝1,2,…,p，p为大于等于4的偶数，对它们分别做FFT快速傅氏变换处理：

其中U_hi(k)、U_mi(k)、U_li(k)分别为上、中、下层第i相检测线圈测得的感应电动势经FFT求得的频谱序列，N为FFT的点数，k为FFT求出频谱序列的序数，k＝0,1,…,N-1。接下来，根据频谱序列U_hi(k)、U_mi(k)、U_li(k)求出上、中、下层第i相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值U^* _ki、U^* _mi、U^* _li：

1、静偏心检测方法

(1)静偏心方向检测方法

静偏心的方向根据中层检测线圈感应电动势幅度谱的最大值U^* _mi确定：若中层第i_s相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值

是所有p相检测线圈中最大的，即：

则静偏心方向为定子圆心指向第i_s相检测线圈的方向。

(2)静偏心程度计算方法

记中层第i_s相检测线圈的对侧为中层第i_ss相检测线圈，由于检测线圈相数p为偶数，因此可通过如下公式计算i_ss：

根据公式(2)、(5)计算中层第i_ss相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值

结合

可定义静偏心程度检测指标U_s：

U_s与静偏心程度e_s之间符合以下关系：

e_s＝aU_s+b (10)

其中a、b均为常数，与电机本身属性相关，可通过实验数据求回归方程计算得出。因此，在实际场景中，只要测出中层各相检测线圈的感应电动势，即可根据公式(2)、(5)、(7)～(10)求出静偏心程度e_s。

2、斜偏心检测方法

(1)斜偏心方向检测方法

斜偏心的方向根据上、下层检测线圈感应电动势幅度谱的最大值U^* _ki、U^* _li确定：若上、下层第i_o相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值之差

所有p相检测线圈中最大的，即：

则电机中存在上端倾向上层第i_o相检测线圈、下端背离下层第i_o相检测线圈的斜偏心。

(2)斜偏心程度计算方法

记上、下层第i_o相检测线圈的对侧为上、下层第i_oo相检测线圈，由于检测线圈相数p为偶数，因此可通过如下公式计算i_oo：

根据公式(1)、(3)、(4)、(6)计算上、下层第i_oo相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值之差

结合

可定义斜偏心程度检测指标U_o：

U_o与斜偏心程度e_o之间符合以下关系：

e_o＝cU_o+d (14)

其中c、d均为常数，与电机本身属性相关，可通过实验数据求回归方程计算得出。因此，在实际场景中，只要测出上、下层各相检测线圈的感应电动势，即可根据公式(1)、(3)、(4)、(6)、(11)-(14)求出斜偏心程度e_o。

3、偏心类型检测方法

当偏心类型未知时，可通过判断静偏心程度检测指标U_s与斜偏心程度检测指标U_o是否大于一定的阈值，确定静偏心与斜偏心是否存在。

A)静偏心程度检测指标阈值U_s0需要根据电机理论上的斜偏心情况确定，计算方式分为下列三步：

第一步：按照前文所述的斜偏心方向检测方法，找出理论上电机存在的斜偏心方向；

第二步：测量该方向的斜偏心达到理论最大值时，中层各相检测线圈的感应电动势，通过公式(2)、(5)求这些感应电动势的幅度谱的最大值；

第三步：将这些感应电动势的幅度谱的最大值代入公式(7)-(9)，求出对应的静偏心程度检测指标，这一指标即为静偏心程度检测指标阈值U_s0。

B)斜偏心程度检测指标阈值U_o0需要根据电机理论上的静偏心情况确定，计算方式同样分为三步：

第一步：按照前文所述的静偏心方向检测方法，找出理论上电机存在的静偏心方向；

第二步：测量该方向的静偏心达到理论最大值时，上、下层各相检测线圈的感应电动势，然后通过公式(1)、(3)、(4)、(6)求这些感应电动势的幅度谱的最大值；

第三步：将这些感应电动势的幅度谱的最大值代入公式(11)-(13)，求出对应的斜偏心程度检测指标，这一指标即为斜偏心程度检测指标阈值U_o0。

当U_s>U_s0时，说明电机存在静偏心；当U_o>U_o0时，说明电机存在斜偏心；当U_s>U_s0与U_o>U_o0同时成立，说明电机存在混合偏心。确定偏心类型后，可按照上文所述的静偏心检测方法和斜偏心检测方法分别求出静偏心与斜偏心的方向、程度。

下面以一具体实例进行说明。

在圆筒型直线电机的外定子的槽内布置上、中、下三层检测线圈，每层布置8个检测线圈，如图3所示。

1、静偏心检测

首先获取不同静偏心下中层各相检测线圈测得的感应电动势，进而根据公式(1)-(6)求出中层各相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值U^* _mi。由于样机检测线圈共有8相，因此i＝0,1,…,8。

将无偏心和五种静偏心情形下，中层各相检测线圈感应电动势幅度谱最大值U^* _mi做折线图，结果如图5所示，图5中，无代表不偏心，静0.5、静1、静1.5、静2、静2.4分别代表静偏心偏心距离为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.4mm。从图5可以看出，当存在静偏心时，第1相检测线圈U^* _mi最大，因此本实施例中五种静偏心方向均为定子圆心指向第1相检测线圈的方向，即i_s＝1。

表1不同静偏心情况下的U_s

根据公式(8)求出第1相检测线圈对侧为第5相检测线圈，即i_ss＝5。将i_s、i_ss代入公式(9)计算无偏心与五种静偏心情况下的静偏心程度检测指标U_s，结果如表1所示。将表1结果做散点图如图6所示。

根据图6的散点图求回归方程，可求出(10)式中的常量a＝1.0316、b＝0.0064，回归方程R²分数为0.9995，因此该方程拟合效果优秀。进而，当静偏心方向为定子圆心指向第1相检测线圈的方向时，可通过

e_s＝1.0316U_s+0.0064

计算静偏心程度e_s。

2、斜偏心检测

首先获取不同斜偏心下上、下层各相检测线圈测得的感应电动势，进而根据公式(1)-(6)求出上、下层各相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值U^* _hi、U^* _li。由于样机检测线圈共有8相，因此i＝0,1,…,8。

将无偏心和五种斜偏心情形下，上、下层各相检测线圈感应电动势幅度谱最大值之差U^* _hi-U^* _li做折线图，结果如图7所示，图7中无代表不偏心，斜0.5、斜1、斜1.5、斜2、斜2.3分别代表斜偏心偏心角度为0.5度、1度、1.5度、2度、2.3度。从图7可以看出，当存在斜偏心时，第1相检测线圈U^* _hi-U^* _li最大，因此本实施例中五种斜偏心均为上端倾向上层第1相检测线圈、下端背离下层第1相检测线圈的斜偏心，即i_o＝1。

表2不同斜偏心情况下的U_o

根据公式(12)求出第1相检测线圈对侧为第5相检测线圈，即i_oo＝5。将i_o、i_oo代入公式(13)计算无偏心与五种斜偏心情况下的斜偏心程度检测指标U_o，结果如表2所示。将表2结果做散点图如图8所示。

根据散点图图8求回归方程，可求出(14)式中的常量c＝0.7229、d＝-0.0338，回归方程R²分数为0.9991，因此该方程拟合效果优秀。进而，当斜偏心方向为上端倾向上层第1相检测线圈、下端背离下层第1相检测线圈时，可通过

e_o＝0.7229U_o-0.0338

计算斜偏心程度e_o。

3、偏心类型检测

设置方向为定子圆心指向第1相检测线圈的方向、大小为1.0mm的静偏心与方向为上端倾向上层第1相检测线圈、下端背离下层第1相检测线圈、大小为0.5°的斜偏心两者的混合偏心，根据本申请所提出偏心类型检测方法预测静偏心与斜偏心的方向、程度，将预测结果与实际偏心情况对比，证明本申请所提出偏心类型检测方法的有效性。

3.1静偏心的判断与检测

第一步，按照上文所提出的斜偏心检测方法，计算所给出混合偏心情形下上、下层各相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值之差U^* _hi-U^* _li，结果如图9所示。从图9可以看出，在所给混合偏心条件下，第1相检测线圈U^* _hi-U^* _li最大，因此电机理论上存在上端倾向上层第1相检测线圈、下端背离下层第1相检测线圈的斜偏心。

第二步，计算斜偏心方向为上端倾向上层第1相检测线圈、下端背离下层第1相检测线圈，且程度达到理论最大值时，中层各相检测线圈的感应电动势的幅度谱的最大值。对于样机，斜偏心程度理论最大值为2.3°，此时中层各相检测线圈感应电动势幅度谱最大值如图10所示。

第三步，将这些感应电动势的幅度谱的最大值代入公式(7)-(9)，求出对应的静偏心程度检测指标为0.455。该指标的值即静偏心程度检测指标阈值U_s0，即U_s0＝0.455。

现计算混合偏心情形下中层各相检测线圈感应电动势幅度谱最大值，结果如图11所示。可以看出，混合偏心时，中层第1相检测线圈感应电动势幅度谱最大值最大，因此电机理论上存在方向为定子圆心指向第1相检测线圈的静偏心。进而，根据公式(8)、(9)，可求出该方向的静偏心程度检测指标U_s＝1.037。由于1.037>U_s0，因此电机存在静偏心；将U_s代入公式(15)，求得静偏心程度e_s预测值为1.05mm。

与实际静偏心情况对比，所预测的静偏心方向与实际一致，静偏心程度误差仅为0.05mm，可见预测结果准确度高。

3.2斜偏心的判断与检测

第一步，根据静偏心的判断与检测中的分析，电机理论上存在方向为定子圆心指向第1相检测线圈的静偏心。

第二步，计算静偏心方向为定子圆心指向第1相检测线圈，且程度达到理论最大值时，上、下层各相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值之差。对于样机，静偏心程度理论最大值为2.4mm，此时上、下层各相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值之差如图12所示。

第三步，将这些感应电动势的幅度谱的最大值之差代入公式(11)-(13)，求出对应的斜偏心程度检测指标为0.125。该指标的值即斜偏心程度检测指标阈值U_o0，即U_o0＝0.125。

在静偏心的判断与检测中，已求出电机理论上存在上端倾向上层第1相检测线圈、下端背离下层第1相检测线圈的斜偏心，进而根据公式(12)、(13)可求出该方向的斜偏心程度检测指标U_o＝0.725。由于0.725>U_o0，因此电机存在斜偏心；将U_o代入公式(16)，求得斜偏心程度e_o预测值为0.47°。

与实际斜偏心情况对比，所预测的斜偏心方向与实际一致，斜偏心程度误差仅为0.03°，可见预测结果准确度高。

应当理解的是，在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

以上所述，仅为本申请的较佳实施例，并非对本申请任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本申请的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本申请的等效实施例；同时，凡依据本申请的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本申请的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种圆筒型直线电机偏心检测装置，其特征在于，包括：

设于所述圆筒型直线电机定子上的感应电动势产生设备；

用于采集所述感应电动势产生设备所产生的感应电动势的感应电动势采集设备；

用于获取所述感应电动势采集设备所采集的数据，并进行分析处理，进而得到圆筒型直线电机的偏心故障的感应电动势处理设备；

所述感应电动势产生设备、感应电动势采集设备和感应电动势处理设备依次连接。

2.如权利要求1所述的圆筒型直线电机偏心检测装置，其特征在于，所述感应电动势产生设备包括检测线圈，所述检测线圈设于圆筒型直线电机的外定子槽内，所述检测线圈包括上、中、下三层，每层的检测线圈成圆形布置，每层布置p个检测线圈，p为大于等于4的偶数。

3.如权利要求2所述的圆筒型直线电机偏心检测装置，其特征在于，相邻所述检测线圈端部紧贴。

4.如权利要求1所述的圆筒型直线电机偏心检测装置，其特征在于，所述感应电动势采集设备为示波器，所述示波器输入端连接所述感应电动势产生设备。

5.如权利要求1所述的圆筒型直线电机偏心检测装置，其特征在于，所述感应电动势处理设备包括互相连接的存储器和处理器，所述存储器与所述感应电动势采集设备输出端连接。

6.一种圆筒型直线电机偏心检测方法，其特征在于，采用如权利要求2～5任一项所述的圆筒型直线电机偏心检测装置，所述方法步骤为：

启动圆筒型直线电机，检测线圈产生感应电动势；

感应电动势采集设备采集所述感应电动势信号并发送至感应电动势处理设备；

感应电动势处理设备对所述感应电动势信号做FFT快速傅氏变换处理，求出各层各相检测线圈感应电动势的幅度谱，对其进行计算分析，进而得到圆筒型直线电机的偏心种类、偏心方向和偏心程度。

7.如权利要求6所述的圆筒型直线电机偏心检测方法，其特征在于，所述对感应电动势信号做FFT快速傅氏变换处理，求出各层各相检测线圈感应电动势的幅度谱的具体过程为：

将上、中、下三层第i相检测线圈测得的感应电动势分别记为时序数n的函数u_hi(n)、u_mi(n)、u_li(n)，其中i＝1,2,…,p，p为大于等于4的偶数，对它们分别做FFT快速傅氏变换处理：

其中U_hi(k)、U_mi(k)、U_li(k)分别为上、中、下层第i相检测线圈测得的感应电动势经FFT求得的频谱序列，N为FFT的点数，k为FFT求出频谱序列的序数，k＝0,1,…,N-1；

根据频谱序列U_hi(k)、U_mi(k)、U_li(k)求出上、中、下层第i相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值U^* _ki、U^* _mi、U^* _li：

8.如权利要求7所述的圆筒型直线电机偏心检测方法，其特征在于，圆筒型直线电机的偏心种类包括静偏心和斜偏心，所述静偏心检测的具体计算分析过程为：

A、静偏心方向检测

静偏心的方向根据中层检测线圈感应电动势幅度谱的最大值U^* _mi确定：若中层第i_s相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值

是所有p相检测线圈中最大的，即：

则静偏心方向为定子圆心指向第i_s相检测线圈的方向；

B、静偏心程度计算

记中层第i_s相检测线圈的对侧为中层第i_ss相检测线圈，由于检测线圈相数p为偶数，因此可通过如下公式计算i_ss：

根据公式(2)、(5)计算中层第i_ss相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值

结合

可定义静偏心程度检测指标U_s：

U_s与静偏心程度e_s之间符合以下关系：

e_s＝aU_s+b (10)

其中a、b均为常数，与电机本身属性相关。

9.如权利要求8所述的圆筒型直线电机偏心检测方法，其特征在于，所述斜偏心检测的具体计算分析过程为：

A、斜偏心方向检测

斜偏心的方向根据上、下层检测线圈感应电动势幅度谱的最大值U^* _ki、U^* _li确定：若上、下层第i_o相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值之差

所有p相检测线圈中最大的，即：

则电机中存在上端倾向上层第i_o相检测线圈、下端背离下层第i_o相检测线圈的斜偏心；

B、斜偏心程度计算

记上、下层第i_o相检测线圈的对侧为上、下层第i_oo相检测线圈，由于检测线圈相数p为偶数，因此可通过如下公式计算i_oo：

根据公式(1)、(3)、(4)、(6)计算上、下层第i_oo相检测线圈测得的感应电动势的幅度谱的最大值之差

结合

可定义斜偏心程度检测指标U_o：

U_o与斜偏心程度e_o之间符合以下关系：

e_o＝cU_o+d (14)

其中c、d均为常数，与电机本身属性相关。

10.如权利要求9所述的圆筒型直线电机偏心检测方法，其特征在于，所述圆筒型直线电机的偏心类型检测方法如下：

当偏心类型未知时，通过判断静偏心程度检测指标U_s与斜偏心程度检测指标U_o是否大于一定的阈值，确定静偏心与斜偏心是否存在；

A)静偏心程度检测指标阈值U_s0根据电机理论上的斜偏心情况确定，计算方式分为下列三步：

第一步：根据斜偏心方向检测方法，找出理论上电机存在的斜偏心方向；

第二步：测量所述方向的斜偏心达到理论最大值时，中层各相检测线圈的感应电动势，通过公式(2)、(5)求所述感应电动势的幅度谱的最大值；

第三步：将所述感应电动势的幅度谱的最大值代入公式(7)-(9)，求出对应的静偏心程度检测指标，这一指标即为静偏心程度检测指标阈值U_s0；

B)斜偏心程度检测指标阈值U_o0根据电机理论上的静偏心情况确定，计算方式同样分为三步：

第一步：根据所述静偏心方向检测方法，找出理论上电机存在的静偏心方向；

第二步：测量所述方向的静偏心达到理论最大值时，上、下层各相检测线圈的感应电动势，然后通过公式(1)、(3)、(4)、(6)求所述感应电动势的幅度谱的最大值；

第三步：将所述感应电动势的幅度谱的最大值代入公式(11)-(13)，求出对应的斜偏心程度检测指标，这一指标即为斜偏心程度检测指标阈值U_o0；

当U_s>U_s0时，说明电机存在静偏心；

当U_o>U_o0时，说明电机存在斜偏心；

当U_s>U_s0与U_o>U_o0同时成立，说明电机存在混合偏心；

确定偏心类型后，根据所述的静偏心检测方法和斜偏心检测方法分别求出静偏心与斜偏心的方向、程度。

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