CN113686237A - 一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法及其检测系统 - Google Patents

一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法及其检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法及其检测系统，属于发电、变电或配电的技术领域。首先将三个线性霍尔元件分别以相同的空间间隔安装在定子槽内；其次，通过数字信号处理器将三相线性霍尔输出的模拟信号转为为数字信号，并通过线性组合转化为正交信号；进而，采用带有谐波选择能力的复因数滤波器，从正交信号中提取负序信号和边带信号；然后，采用同步参考系锁相环提取负序信号的幅值、边带信号的幅值作为静态偏心指示量和动态偏心指示量；最后，在数字信号处理器内将上述指示量计算为代表偏心程度的百分比。本发明实现了低成本、高紧凑性、高精度的转子偏心检测，有效区分静态偏心和动态偏心程度，可应用于多种拓扑结构的电机。

Description

一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法及其检测系统
技术领域
本发明涉及永磁电机的偏心检测技术，具体公开一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法及其检测系统，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
转子偏心是电机最常见的故障之一，永磁同步电机中的转子偏心直接导致气隙长度不对称，从而导致定子和转子之间的磁拉力不平衡。磁拉力不平衡会进一步导致其它电气和机械问题，例如，不同相位的电流负载不平衡、噪音和振动。永磁同步电机的连续运行会导致轴承磨损、偏心加剧甚至轴承断裂。因此，转子偏心的监测和诊断在永磁同步电机的实际应用中是必不可少的。
通过检测永磁电机内部的磁场分布情况判断转子偏心是最直接的检测方法。专利号为CN107192947A的发明专利公开一种基于磁场监测的永磁同步电机故诊断方法，永磁同步电机的所有定子齿上绕制线圈对应的线圈故障值形成两个峰值，则判定故障类型为偏心故障。专利号为CN109541461A的发明专利公开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，在每个定子齿上绕制一个线圈，转子旋转时通过线圈电压推导磁链值进一步分析谐波分布，可以实现偏心故障类型的识别，还可以准确识别偏心故障的程度和方向。上述基于额外绕组来检测偏心的方法，其额外绕组的电压幅值与转速成正比，导致不同转速下输出信号幅值变化较大，造成数据采集困难，且增加了硬件成本。
为实现信号幅值与转速的解耦，可采用线性霍尔传感器作为磁密检测元件。专利号为CN108614212A的发明专利公开一种轮毂电机偏心与退磁故障解耦诊断方法与装置，于轮毂电机中心轴径向对称的两个定子齿槽内装2N个霍尔传感器，每个定子齿槽内有N个霍尔传感器沿轴向等距离布置，径向对称的两个定子齿槽内的霍尔传感器在同一直径线上，2N个霍尔传感器经多路电压信号采集盒连接上位机。依据故障特征值准确识别故障，达到偏心与退磁耦合故障解耦诊断的目的，然而该种方法在特定的静态偏心状态下无法实现准确的检测。专利号为CN113094952A的发明专利公开一种基于杂散磁场的永磁电机静态偏心检测方法，神经网络模型的使用使得偏心检测的运算量变大，且神经网络模型与实际电机参数之间的误差使得偏心检测的鲁棒性较低，运算量较大。此外，上述检测方式均不能够同时实现转子永磁型和定子永磁型电机的偏心检测。
本申请旨在通过合理安装线性霍尔元件并设计对不同拓扑的永磁同步电机具有普适性的偏心检测算法，准确迅速检测并分离永磁同步电机中静态偏心检测量和动态偏心检测量。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法及其检测系统，在永磁同步电机定子槽内安装检测径向磁密的线性霍尔传感器，对线性霍尔输出信号进行处理以获取转子的实时静态偏心检测量及实时动态偏心检测量，实现针对多种拓扑的永磁电机的低成本非侵入式实时偏心检测的发明目的，解决现有永磁电机偏心检测技术数据采集困难、硬件成本大、不能实现不同拓扑电机静态偏心和动态偏心同时检测的技术问题
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
本发明提出一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法，通过以相同的间隔安装在定子槽内三个线性霍尔元件及一个数字信号处理器组成的检测系统实现。三个霍尔元件的磁敏感面均与带有永磁体的转子表面相对；三个线性霍尔元件中，第一线性霍尔元件安装于定子槽内的任意位置，沿着周向，第二线性霍尔距第一线性霍尔相差
Figure BDA0003252445350000021
电角度；第三线性霍尔距第二线性霍尔相差
Figure BDA0003252445350000022
电角度。然后，根据三个线性霍尔元件的输出电压信号计算电机偏心程度。
根据三个线性霍尔元件的输出电压信号计算电机偏心程度的偏心诊断方法具体为：
(1)数字信号处理器通过模数转换器将三个线性霍尔元件的输出电压信号转换为数字信号，该数字信号为三相信号。
(2)将三相信号预处理为带有谐波的正交信号。
此处假设三个线性霍尔输出的信号为Habc＝[Ha,Hb,Hc]T，Ha信号来自于第二线性霍尔元件，Hb信号来自于第一线性霍尔元件，Hc信号来自于第三线性霍尔元件。预处理过程为Habc的线性组合，将三相信号映射至两相静止坐标系，处理后的正交信号为Hαβ0＝[HαHβ,H0]T。其中Hα和Hβ为正交分量，H0为直流分量。上述线性组合的模型为：
Hαβ0＝TAPSHabc
Figure BDA0003252445350000031
Figure BDA0003252445350000032
(3)采用带有谐波选择能力的复因数滤波器，从上述正交信号中提取负序信号和边带信号。
复因数滤波器由第一检波滤波器、第二检波滤波器和第三检波滤波器互联构成。正交信号Hαβ0减去三个检波滤波器的输出作为中间信号。该中间信号与第一检波滤波器的输出信号相加作为第一检波滤波器的输入信号，第一检波滤波器的输出信号即为正序信号；中间信号与第二检波滤波器的输出信号相加作为第二检波滤波器的输入信号，第二检波滤波器的输出信号即为负序信号；中间信号与第三检波滤波器的输出信号相加作为第三检波滤波器的输入信号，第三检波滤波器的输出信号即为边带信号。
第一检波滤波器可从正交信号中提取与电机转子旋转电频率相同的正序信号，第一检波滤波器可表示为：
Figure BDA0003252445350000033
其中，ω0为正序信号的频率，与电机转子旋转电频率相同；ωc＝kc*ω0，kc为正数且可用于调节检波滤波器带宽，ωc为截止频率。
第二检波器可从正交信号中提取与电机转子旋转电频率相反的负序信号，第二检波器可表示为：
Figure BDA0003252445350000034
第三检波器可从正交信号中提取正序信号附近的边带信号，第三检波器可表示为：
Figure BDA0003252445350000035
其中，p为永磁电机的极对数。
(4)采用第一同步参考系锁相环提取负序信号的幅值作为静态偏心指示量，采用第二同步参考系锁相环提取边带信号的幅值作为动态偏心指示量。
(5)静态偏心指示量与正序分量的幅值之比的二倍作为静态偏心百分比；所述动态偏心指示量与正序分量的幅值之比作为动态偏心百分比，静态偏心百分比值和动态偏心百分比值作为偏心诊断量。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明通过在定子槽内周向等间隔安装霍尔传感器检测不同拓扑结构永磁电机径向磁密，通过对霍尔传感器输出数据依次进行线性组合、复因数滤波、锁相处理迅速检测实时偏心量，并有效分离静态偏心检测量和动态偏心检测量，克服现有偏心检测方法无法准确检测特定状态下静态偏心的缺陷，实现高紧凑、低成本的多拓扑结构永磁电机偏心检测，且实现静态偏心和动态偏心的分离。
(2)本发明公开的永磁电机偏心诊断方案利用成本较低的霍尔传感器和数字信号处理器成的非侵入式检测系统即可实现，且相较于通过额外绕组诊断永磁电机偏心方案，解决了数据采集困难的问题，降低硬件成本。
附图说明
图1为本发明提出的基于线性霍尔的转子永磁电机偏心检测系统的框图。
图2为实施例1中的转子永磁电机。
图3为实施例2中的定子永磁电机。
图4为本发明提出的一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法及其检测系统中复因数滤波器的框图。
图5为实施例1中三个线性霍尔元件输出的三相信号及其对应的正交信号、负序信号、边带信号的波形图。
图中标号说明：1、第一线性霍尔元件，2、第二线性霍尔元件，3、第三线性霍尔元件，4、被测电机，6、线性组合单元8、复因数滤波器，13、数字信号处理器，14、第一加减组合模块，15、第二加减组合模块，16、第三加减组合模块，17、第四加减组合模块，18、第五加减组合模块。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
实施例1：基于线性霍尔元件诊断转子永磁电机的偏心
参照图1，本发明提出一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法及其检测系统，检测系统包括：安装在被测电机4定子槽内的第一线性霍尔元件1、第二线性霍尔元件2、第三线性霍尔元件3以及对霍尔元件输出电压进行处理的数字信号处理器13。被测电机4如图2所示，为一台三相18槽20极转子永磁型电机，将三个线性霍尔元件安装于定子槽内，依次间隔2个定子槽距，霍尔元件的磁敏感面均与带有永磁体的转子表面相对；三个线性霍尔元件中，第一线性霍尔元件1安装于定子的任意槽口，沿着周向，第二线性霍尔2距第一线性霍尔1相差
Figure BDA0003252445350000053
电角度；第三线性霍尔3距第二线性霍尔2相差
Figure BDA0003252445350000054
电角度。
以逆时针方向为正向，当转子正向匀速旋转时：第一线性霍尔元件1和第二线性霍尔元件2输出电压信号的电角度相位差
Figure BDA0003252445350000055
第二线性霍尔元件2和第三线性霍尔元件3输出电压信号的电角度相位差
Figure BDA0003252445350000056
三个线性霍尔元件和一个数字信号处理器13连接。数字信号处理器13的供电电压为3.3伏特。Ha信号来自于第二线性霍尔元件2，Hb信号来自于第一线性霍尔元件1，Hc信号来自于第三线性霍尔元件3，三个线性霍尔元件输出0-3.3V的模拟电压。在数字信号处理器13内将三个线性霍尔元件的输出电压信号转化为三相原始数字信号，表示为Habc＝[Ha,Hb,Hc]T。
对三相信号作线性组合，如下式所示：
Hαβ0＝TAPSHabc
其中：
Figure BDA0003252445350000051
Figure BDA0003252445350000052
线性组合处理后得到的正交信号为Hαβ0＝[HαHβ,H0]T。
采用带有谐波选择能力的复因数滤波器，从正交信号中提取负序信号和边带信号。
如图4所示，复因数滤波器由第一检波滤波器，第二检波滤波器和第三检波滤波器互联构成。正交信号减去三个检波滤波器的输出作为中间信号，由第一加减组合模块14完成，三个检波滤波器的输出由第五加减组合模块18累加后送入第一加减组合模块14。该中间信号与第一检波滤波器的输出信号相加作为第一检波滤波器的输入信号，由第二加减组合模块15完成；中间信号与第二检波滤波器的输出信号相加作为第二检波滤波器的输入信号，由第三加减组合模块16完成；中间信号与第三检波滤波器的输出信号相加作为第三检波滤波器的输入信号，由第四加减组合模块17完成。
第一检波滤波器从正交信号中提取与电机转子旋转电频率相同的正序信号，第一检波滤波器可表示为：
Figure BDA0003252445350000061
其中，ψ0为正序信号的频率，ψc＝kc*ω0，kc＝0.707。
第二检波滤波器从正交信号中提取与电机转子旋转电频率相反的负序信号，第二检波滤波器可表示为：
Figure BDA0003252445350000062
第三检波滤波器从正交信号中提取正序信号附近的边带信号，第三检波滤波器可表示为：
Figure BDA0003252445350000063
其中，p为永磁电机的极对数，p＝10。
(4)采用第一同步参考系锁相环提取负序信号的幅值作为静态偏心指示量，采用第二同步参考系锁相环提取边带信号的幅值作为动态偏心指示量。
(5)最后，静态偏心指示量与正序分量的幅值之比的二倍作为静态偏心百分比；动态偏心指示量与正序分量的幅值之比作为动态偏心百分比，该百分比值作为偏心诊断量。
以下结合具体偏心状况进行模拟，结果参照图5，分别展示了三相信号、正交信号、负序信号和边带信号。第一同步参考系锁相环提取负序信号的幅值如点线所示；第二同步参考系锁相环提取边带信号的幅值如点线所示。
(1)在0.3s之前，被测电机4处于非偏心状态，信号频率为600Hz。复因数滤波器输出的负序分量为0；边带分量为0。
(2)在0.3～0.7s之间，信号频率为600Hz，被测电机4处于静态偏心状态，且静态偏心距离为气隙长度的0.3倍。复因数滤波器输出的负序信号的幅值上升并稳定为一恒定值；边带信号幅值先上升，随后收敛为0。由于动态偏心是一种时变的静态偏心，因此会在静态偏心刚出现时出现误动作，但是动态偏心的预测值会在较短时间内收敛至实际值。
(3)在0.7～1.1s之间，信号频率为600Hz，被测电机4处于混合偏心状态，且静态偏心距离为气隙长度的0.3倍，动态偏心距离为气隙长度的0.2倍。复因数滤波器输出的负序信号的幅值保持基本不变；边带信号的幅值上升并保持基本不变。
(3)在1.1～1.5s之间，被测电机4处于混合偏心状态，且静态偏心距离为气隙长度的0.3倍，动态偏心距离为气隙长度的0.2倍，转速由600Hz变为200Hz。偏心检测的结果基本不变，该系统适用于不同转速。
最后，静态偏心指示量与正序分量的幅值之比的二倍作为静态偏心百分比30％；动态偏心指示量与正序分量的幅值之比作为动态偏心百分比20％。
实施例2：基于线性霍尔元件诊断定子永磁电机的偏心
参照图1，本发明提出一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法及其检测系统，其中，被测电机4如图3所示，为一台三相12槽10极定子永磁型电机。将三个线性霍尔元件安装于定子槽内，依次间隔1个定子槽距。霍尔元件的磁敏感面均与带有永磁体的转子凸极表面相对；三个线性霍尔元件中，第一线性霍尔元件1安装于定子的任意槽口，沿统一方向，第二线性霍尔2距第一线性霍尔1相差
Figure BDA0003252445350000071
电角度；第三线性霍尔3距第二线性霍尔2相差
Figure BDA0003252445350000072
电角度。
以逆时针方向为正向，当转子正向匀速旋转时：第一线性霍尔元件1和第二线性霍尔元件2输出电压信号的电角度相位差
Figure BDA0003252445350000073
第二线性霍尔元件2和第三线性霍尔元件3输出电压信号的电角度相位差
Figure BDA0003252445350000074
三个线性霍尔元件和一个数字信号处理器13连接。数字信号处理器13的供电电压为3.3伏特。Ha信号来自于第二线性霍尔元件2，Hb信号来自于第一线性霍尔元件1，Hc信号来自于第三线性霍尔元件3，输出0-3.3V的模拟电压。在数字信号处理器内将三个线性霍尔元件的输出电压信号转化为三相原始数字信号，表示为Habc＝[Ha,Hb,Hc]T。
对三相信号进性线性组合如下：
Hαβ0＝TAPSHabc
其中：
Figure BDA0003252445350000081
Figure BDA0003252445350000082
处理后的正交信号为Hαβ0＝[HαHβ,H0]T。
采用带有谐波选择能力的复因数滤波器，从正交信号中提取负序信号和边带信号。
复因数滤波器由第一检波滤波器，第二检波滤波器和第三检波滤波器互联构成。正交信号减去三个检波滤波器的输出作为中间信号。该中间信号与第一检波滤波器的输出信号相加作为第一检波滤波器的输入信号；中间信号与第二检波滤波器的输出信号相加作为第二检波滤波器的输入信号；中间信号与第三检波滤波器的输出信号相加作为第三检波滤波器的输入信号。
第一检波滤波器从正交信号中提取与电机转子旋转电频率相同的正序信号，第一检波滤波器可表示为：
Figure BDA0003252445350000083
其中，ω0为正序信号的频率，ωc＝kc*ω0，kc＝0.707。
第二检波滤波器可从正交信号中提取与电机转子旋转电频率相反的负序信号，第二检波滤波器可表示为：
Figure BDA0003252445350000084
第三检波滤波器可从正交信号中提取正序信号附近的边带信号，第三检波滤波器可表示为：
Figure BDA0003252445350000091
其中，p为永磁电机的极数，p＝10。
(4)采用第一同步参考系锁相环提取负序信号的幅值作为静态偏心指示量，采用第二同步参考系锁相环提取边带信号的幅值作为动态偏心指示量。
(5)最后，静态偏心指示量与正序分量的幅值之比的二倍作为静态偏心百分比；动态偏心指示量与正序分量的幅值之比作为动态偏心百分比，该百分比值作为偏心诊断量。
以上所述仅为本发明的较佳具体实施方式，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看到本发明揭露的技术方案后，根据本发明的发明构思对技术方案做出的等同替换或改变都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法，其特征在于，沿周向在定子槽内等间隔安装第一线性霍尔元件、第二线性霍尔元件、第三线性霍尔元件，所述线性霍尔元件的磁敏感面均与转子表面的永磁体相对，对三个线性霍尔元件输出电压进行线性组合得到包含一对正交分量和一个直流分量的正交信号，从所述正交信号中提取正序信号、负序信号及边带信号，提取所述负序信号的幅值作为静态偏心指示量，提取所述边带信号的幅值作为动态偏心指示量，根据静态偏心指示量与正序信号幅值的比值得到静态偏心百分比，根据动态偏心指示量与正序信号幅值的比值得到动态偏心百分比。
2.根据权利要求1所述一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法，其特征在于，对三个线性霍尔元件输出电压进行线性组合得到包含一对正交分量和一个直流分量的正交信号的表达式为：Hαβ0＝TAPSHαβ0，Habc为三个线性霍尔元件输出电压组成的向量，Habc＝[Ha,Hb,Hc]T，Ha为第二线性霍尔元件输出电压，Hb为第一线性霍尔元件输出电压，Hc为第三线性霍尔元件输出电压，Hαβ0为正交信号，Hαβ0＝[HαHβ,H0]T，Hα和Hβ为正交分量，H0为直流分量，TAPS为线性组合系数矩阵，
Figure FDA0003252445340000011
Figure FDA0003252445340000012
Figure FDA0003252445340000013
为相邻两个线性霍尔元件间隔的电角度。
3.根据权利要求1所述一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法，其特征在于，提取所述正序信号的表达式为：
Figure FDA0003252445340000014
F1(s)为正序信号在s域内的表达式，ω0为正序信号的频率，ωc为截止频率，ωc＝kc*ω0，kc为正数。
4.根据权利要求1所述一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法，其特征在于，所述负序信号的表达式为：
Figure FDA0003252445340000015
F2(s)为负序信号在s域内的表达式，ω0为正序信号的频率，ωc为截止频率，ωc＝kc*ω0，kc为正数。
5.根据权利要求1所述一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法，其特征在于，提取所述边带信号的表达式为：
Figure FDA0003252445340000016
F3(s)为边带信号在s域内的表达式，ω0为正序信号的频率，ωc为截止频率，ωc＝kc*ω0，kc为正数，p为永磁电机的极对数。
6.根据权利要求1所述一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法，其特征在于，所述静态偏心百分比为静态偏心指示量与正序信号幅值之比的二倍。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述一种基于线性霍尔的永磁电机偏心诊断方法，其特征在于，所述方法用于定子永磁电机或转子永磁电机。
8.一种基于线性霍尔的永磁电机偏心的检测系统，其特征在于，包括：
第一线性霍尔元件，安装在定子槽内，磁敏感面与转子表面的永磁体相对；
第二线性霍尔元件，安装在定子槽内且在周向距离第一线性霍尔元件
Figure FDA0003252445340000021
电角度，磁敏感面与转子表面的永磁体相对；
第三线性霍尔元件，安装在定子槽内且在周向距离第二线性霍尔元件
Figure FDA0003252445340000022
电角度，磁敏感面与转子表面的永磁体相对；及，
数字信号处理器，对三个线性霍尔元件输出电压进行线性组合得到包含一对正交分量和一个直流分量的正交信号，从所述正交信号中提取正序信号、负序信号及边带信号，提取所述负序信号的幅值作为静态偏心指示量，提取所述边带信号的幅值作为动态偏心指示量，根据静态偏心指示量与正序信号幅值的比值得到静态偏心百分比，根据动态偏心指示量与正序信号幅值的比值得到动态偏心百分比。
9.根据权利要求8所述一种基于线性霍尔的永磁电机偏心的检测系统，其特征在于，所述数字信号处理器包括：
线性组合单元，接收三个线性霍尔元件输出电压，输出包含一对正交分量和一个直流分量的正交信号；
复因数滤波器，其输入端接线性组合单元的输出端，从所述正交信号中提取正序信号、负序信号及边带信号后输出；
第一同步参考系锁相环，接收复因数滤波器输出的负序信号，提取负序信号的幅值后输出；
第二同步参考系锁相环，接收复因数滤波器输出的边带信号，提取边带信号的幅值后输出；及，
计算单元，接收复因数滤波器输出的负序信号幅值、边带信号幅值，接收复因数滤波器输出的正序信号，计算负序信号幅值与正序信号幅值的比值后输出静态偏心百分比，计算边带信号幅值与正序信号幅值的比值后输出动态偏心百分比。
10.根据权利要求9所述一种基于线性霍尔的永磁电机偏心的检测系统，其特征在于，所述复因数滤波器包括：
第一加减组合模块，其第一输入端接正交信号，其第二输入端接第五加减组合模块输出端，输出从正交信号中剔除正序信号、负序信号、边带信号后的中间信号；
第二加减组合模块，其第一输入端接第一加减组合模块的输出端，其第二输入端接第一检波滤波器的输出端，输出中间信号与正序信号的累加结果；
第三加减组合模块，其第一输入端接第一加减组合模块的输出端，其第二输入端接第二检波滤波器的输出端，输出中间信号与负序信号的累加结果；
第四加减组合模块，其第一输入端接第一加减组合模块的输出端，其第二输入端接第三检波滤波器的输出端，输出中间信号与边带信号的累加结果；
第一检波滤波器，其输入端接第二加减组合模块的输出端，输出正序信号；
第二检波滤波器，其输入端接第三加减组合模块的输出端，输出负序信号；及，
第三检波滤波器，其输入端接第四加减组合模块的输出端，输出边带信号。
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