CN115280117A - 标识同步磁阻电机中的故障的方法、监测系统和同步磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

一种标识同步磁阻电机(10)中的故障的方法，该方法包括：在定子(12)的第一径向方向上对定子(12)执行第一振动测量；在定子(12)的第二径向方向上对定子(12)执行第二振动测量；基于第一振动测量和第二振动测量中的至少一个振动测量，确定第一振动频率；基于第一振动测量和第二振动测量，确定振动在第一振动频率下的振型；以及基于第一振动频率(I)和振型m满足以下屏障故障条件：(II)，其中(III)是转子(14)的旋转频率，确定转子(14)的磁通屏障(30)有缺陷。

Description

标识同步磁阻电机中的故障的方法、监测系统和同步磁阻 电机
技术领域
本公开总体涉及一种同步磁阻电机。具体地，提供了一种标识同步磁阻电机中的故障的方法、用于标识同步磁阻电机中的故障的监测系统以及包括监测系统的同步磁阻电机。
背景技术
同步磁阻电机(SynRM)是稀土永磁机的成本有效且可持续的替代品。与同步磁阻电机相关联的其他优点是使用和维护简单，与感应电动机相比具有更好的部分负载效率，以及准确的控制，例如具有直接转矩控制(DTC)，即使没有编码器。同步磁阻电机的转子结构简单，并且可以只包括铁。
与任何技术设备一样，同步磁阻电机可能会遭受不同种类的故障，无论是机械性质的还是电气性质的。由于同步磁阻电机具有转子形式的移动元件，因此许多最常见的故障情况会导致电机振动。众所周知，不同的故障条件会导致不同种类的振动。反过来，由此断定通过了解某种故障条件引起什么种类的振动，就可以通过监测机器的振动特点来检测故障。
US 2014109679 A1公开了一种用于标识电机中的故障的方法。振动在定子的多个径向方向上被测量。基于振动测量，振动频率和振动在该频率下的振型被确定。在振动频率和振型方面的振动特点被用于标识电机的故障条件。
参考1公开了一种用于中速同步磁阻电机的同步磁阻转子结构。在称为燕尾设计的转子结构中，转子的外部部件由内部部件使用部件之间的环氧树脂粘合剂来支撑。燕尾设计与常规的“桥式固定”设计进行比较，其中磁通路径利用薄铁桥被固定至转子结构的其余部分。这两种设计的测试使用振动传感器来执行。与常规的桥式固定设计相比，燕尾设计被推断为提高了机械稳定性。
参考1：JERE KOLEHMAINEN:“Synchronous Reluctance Motor With FormBlocked Rotor”,IEEE能量转换汇刊,IEEE服务中心,皮斯卡塔韦,NJ,US,第25卷,第2号,2010年6月1日(2010-06-01),第450至456页,XP011301030,ISSN：0885-8969。
发明内容
在具有转子的同步磁阻电机中，该转子包括具有磁通屏障的芯元件的叠层，芯元件在径向外部区域中的机械强度可能较弱。另外，这些径向外部区域在机器操作期间可能受到非常高的离心力和热应力。因此，芯元件迅速在磁通屏障中和/或在与磁通屏障相邻的结构中断裂。如果这种断裂未被检测到，则存在整个机器和由机器驱动的系统发生灾难性故障的风险。
本公开的一个目的是提供一种标识同步磁阻电机中的故障的方法，该方法能够实现故障的早期、简单、可靠和/或成本有效的检测。
本公开的另一目的是提供一种标识同步磁阻电机中的故障的方法，该方法能够实现芯元件的磁通屏障中的故障的早期、简单、可靠和/或成本有效的检测。
本公开的又一目的是提供一种标识同步磁阻电机中的故障的方法，该方法解决组合的若干或全部前述目的。
本公开的又一目的是提供一种用于标识同步磁阻电机中的故障的监测系统，该监测系统解决前述目的中的一个、若干或全部目的。
本公开的又一目的是提供一种同步磁阻电机，从而解决前述目的中的一个、若干或全部目的。
根据一个方面，提供了一种标识同步磁阻电机中的故障的方法，同步磁阻电机包括定子和转子，转子包括在转子的轴向方向上堆叠的多个导磁芯元件，并且每个芯元件包括磁通屏障，该方法包括在定子的第一径向方向上对定子执行第一振动测量；在定子的第二径向方向上对定子执行第二振动测量；基于第一振动测量和第二振动测量中的至少一个振动测量，确定第一振动频率；基于第一振动测量和第二振动测量，确定振动在第一振动频率下的振型；以及基于第一振动频率fb和振型m满足以下屏障故障条件：
fb＝fr，并且m＝1
确定转子的磁通屏障有缺陷，其中fr是转子的旋转频率。
通过该方法，同步磁阻电机中的转子的故障可以通过振动监测来检测。该方法能够早期检测磁通屏障的缺陷。在确定磁通屏障中的缺陷时，警报可以被发出以要求采取行动，和/或机器可以被自动停止。由此机器的必然附加故障以及被驱动系统的潜在必然故障可以被避免。
基于第一振动频率和振型满足屏障故障条件的确定可以备选地被定义为基于第一振动频率与转子的旋转频率匹配并且振型是第一振型来确定。因此，该方法基于以下发现：磁通屏障断裂导致转子的振动频率和振动振型的某种组合。
转子的振动又被传递到定子。该方法因此可以是“非侵入性的”。例如，第一振动测量和第二振动测量可以通过被布置为分别测量定子在第一径向方向和第二径向方向上的振动的传感器来执行，诸如加速度计。
转子可以包括多个转子极。每个转子极可以包括多个磁通屏障。每个芯元件可以是板。该方法可以用根据本公开的任何类型的同步磁阻电机来执行。
该方法还可以包括：基于第一振动频率fb满足以下屏障故障条件：
Figure BDA0003840716310000031
确定转子的磁通屏障有缺陷，其中fs是电源频率并且p是定子极对的数目。
该方法还可以包括：在定子的至少三个不同的径向方向上执行多个振动测量，诸如定子的至少四个、至少六个或至少八个不同的径向方向；基于多个振动测量中的至少一个振动测量，确定第一振动频率；以及基于多个振动测量确定振动在第一振动频率下的振型。在定子的不同径向方向上进行的测量越多，这种检测的可靠性就越好。
该方法还可以包括：当第一振动频率和振型满足屏障故障条件时，并且当第一振动频率下的振动幅度超过预定阈值时，确定转子的磁通屏障有缺陷。非常小幅度的振动对机器无害，从而错误的故障条件诊断可以被避免。
对第一振动频率和振型是否满足屏障故障条件的确定可以在同步磁阻电机的操作期间被连续或重复地执行。
该方法可以部分地被在线执行。例如，第一振动频率的确定、振型的确定和/或转子的磁通屏障是缺陷的确定可以被在线执行，例如在云中。因此，该方法可以包括机器的部分无线监测以检测磁通屏障中的缺陷。
根据另一方面，提供了一种用于标识同步磁阻电机中的故障的监测系统，同步磁阻电机包括定子和转子，转子包括在转子的轴向方向上堆叠的多个导磁芯元件，并且每个芯元件包括磁通屏障，监测系统包括：第一传感器，被布置为测量定子在定子的第一径向方向上的振动；第二传感器，被布置为测量定子在定子的第二径向方向上的振动；以及控制系统，包括至少一个数据处理设备和在其上存储有计算机程序的至少一个存储器，计算机程序包括程序代码，在由至少一个数据处理设备中的一个或多个数据处理设备执行时，该程序代码使至少一个数据处理设备中的一个或多个数据处理设备执行以下步骤：基于来自第一传感器和第二传感器的测量信号，检测第一振动频率和振动在第一振动频率下的振型；以及基于第一振动频率fb和振型m满足以下障碍故障条件：
fb＝fr，并且m＝1
确定转子的磁通屏障有缺陷，其中fr是转子的旋转频率。控制系统接收来自第一传感器和第二传感器的测量信号。
计算机程序可以包括程序代码，在由至少一个数据处理设备中的一个或多个数据处理设备执行时，该程序代码使至少一个数据处理设备中的一个或多个数据处理设备执行以下步骤：基于第一振动频率fb满足以下屏障故障条件：
Figure BDA0003840716310000051
确定转子的磁通屏障有缺陷，其中fs是电源频率并且p是定子极对的数目。
监测系统可以包括多个传感器，这些传感器被布置为测量定子的至少三个不同的径向方向上的振动，诸如定子的至少四个、至少六个或至少八个不同的径向方向，并且控制系统可以被布置为接收来自多个传感器的测量信号。在定子的不同径向方向上的大量测量允许振型号以良好的可靠性检测。
计算机程序可以包括程序代码，在由至少一个数据处理设备中的一个或多个数据处理设备执行时，该程序代码使至少一个数据处理设备中的一个或多个数据处理设备执行以下步骤：当第一振动频率和振型满足屏障故障条件时，并且当第一振动频率下的振动幅度超过预定阈值时，确定转子的磁通屏障有缺陷。
对第一振动频率和振型是否满足屏障故障条件的确定可以在同步磁阻电机的操作期间被连续或重复地执行。
传感器可以被布置为与控制系统无线通信。备选地或附加地，传感器可以是加速度计。加速度计是优选的振动传感器，因为它们的大小小并且价格低廉。
根据另一方面，提供了一种包括根据本公开的监测系统的同步磁阻电机。同步磁阻电机可以是根据本公开的任何类型。
附图说明
本公开的其他细节、优点和方面将通过结合附图的以下实施例变得明显，其中：
图1：示意性地表示同步磁阻电机的横截面侧视图；
图2：示意性地表示图1中的区段A-A的横截面前视图；
图3：示意性地表示包括监测系统的同步磁阻电机；以及
图4：示出了前四种振动振型。
具体实施方式
在下文中，一种标识同步磁阻电机中的故障的方法、用于标识同步磁阻电机中的故障的监测系统以及包括监测系统的同步磁阻电机将被描述。相同或类似的附图标记将被用于表示相同或类似的结构特征。
图1示意性地表示同步磁阻电机10的横截面侧视图。机器10包括定子12和转子14。转子14围绕旋转轴线16可旋转。旋转轴线16限定转子14的轴向方向。图1还示出了定子12的绕组18和传感器，此处被例示为加速度计20。
该示例的机器10包括被固定至定子12的框架22。机器10还包括轴承24和被固定至转子14的轴26。轴26围绕旋转轴线16可旋转。
转子14包括多个导磁芯元件28。在该示例中，每个芯元件28具有相同的设计。芯元件28被堆叠在转子14的轴向方向上。而且，芯元件28在轴向方向上被压缩在一起。在该示例中，每个芯元件28是薄板，图1中的厚度为了说明性目的而被大大夸大。芯元件28由导磁材料制成，诸如具有高相对磁导率值的电工钢。
图2示意性地表示图1中的区段A-A的横截面前视图。如图2所示，芯元件28是圆形的。转子14的每个芯元件28以及由此形成的组合(即，转子芯)在操作上以扇形区段划分。扇形区段的数目定义了转子14的磁极数目。该示例的转子14包括四个转子极，即，两个转子极对。该示例的定子12包括十二个定子极，即，六个定子极对。
每个芯元件28包括多个磁通屏障30。如图2所示，每个转子极包括四个磁通屏障30，每个磁通屏障30被划分为由中间的窄桥间隔开的两个磁通屏障区段。然而，每个转子极可以包括多于或少于四个磁通屏障30。每个磁通屏障30可以是通过芯元件28(在轴向方向上)的开口。磁通屏障30可以被填充有空气或不导磁材料，诸如铝，它具有比芯元件28的导磁材料(诸如电工钢)更低的相对磁导率。
图2还示出了芯元件28包括切向肋32。每个肋32被设置在(相对于旋转轴线16)磁通屏障30的端部的径向外部。图2还示出了在转子14和定子12之间的气隙34。
在本公开的上下文中，磁通屏障30的断裂应该被解释为与切向肋32的断裂相等。
一个芯元件28的一个磁通屏障30的断裂通常与相邻芯元件28的邻近磁通屏障30的断裂相关联。当磁通屏障30中的一个磁通屏障30断裂时，气隙34可以被减小。因此，断裂的磁通屏障30有与定子12接触的风险。
图3示意性地表示包括监测系统36的同步磁阻电机10。监测系统36被配置为标识机器10中的故障。
监测系统36包括加速度计20。加速度计20被配置为测量定子12的振动。如图3所示，该示例的监测系统36包括围绕定子12的圆周均匀分布的八个加速度计20。大量的加速度计20能够准确地确定振动的振型。
监测系统36还包括控制系统38。控制系统38包括数据处理设备40和存储器42。存储器42在其上存储有计算机程序。计算机程序包括在由数据处理设备40执行时使数据处理设备40执行本文描述的任何步骤的程序代码。
该示例的监测系统36还包括测量电缆44、放大器46和A/D转换器48。加速度计20通过测量电缆44被连接到放大器46，并且进一步被连接至A/D转换器48。加速度计20可以备选地是无线的，例如用于在线处理来自加速度计20的振动测量值。
加速度计20提供时间空间中的振动信息，即，作为时间函数的加速度。另外，每个加速度计20的角位置是已知的。来自加速度计20的振动测量值以数字形式被存储在存储器42中，以供进一步处理。
数据处理设备40接收和处理存储在存储器42中的振动测量值。为此，数据处理设备40可以执行存储在存储器42中的一个或多个计算机程序。计算机程序可以包括二维傅里叶变换，用于确定第一振动频率和振型。计算机程序还可以包括用于确定第一振动频率和振型是否满足屏障故障条件的程序代码，如本文描述的。
相对于位置(由加速度计20的地点定义)和相对于时间的二维傅里叶变换被应用于测量结果，以揭示振动的振型和频率。傅里叶变换的方程可以被写为：
Figure BDA0003840716310000081
其中a＝测量的加速度，θ＝沿着定子12的周长的角位置，t＝时间，A＝计算的加速度系数，ω＝电源频率，并且其中m确定振型，并且n确定振动频率。
在机器10的操作期间，径向振动被生成。通过加速度计20，转子14的径向振动可以被测量，因为转子14的振动被传递到定子12。
在磁通屏障30中的一个磁通屏障30断裂的情况下，转子14变得动态偏心(相对于旋转轴线16)。转子14在转子14的旋转频率下的振动将由此被激发。该振动具有振动模式1。通过还监测振动模式，除了振动频率之外，转子14的故障还可以与机械振动区分开来。监测系统36不仅能够检测振动频率，而且能够检测振动振型，即，所谓的振型。图4示出了振动的前四种振型。
在机器10的操作期间，监测系统36连续或重复地监测振动，基于第一径向方向上的第一振动测量和/或第二径向方向上的第二振动测量确定第一振动频率，基于第一振动测量和第二振动测量确定振动在第一振动频率下的振型，并且确定第一振动频率和振型是否满足障碍故障条件。屏障故障条件被定义为：
fb＝fr，并且m＝1
其中fb是第一振动频率，fr是转子14的旋转频率，并且m是振型。如果屏障故障条件被满足，则推断磁通屏障30有缺陷。因此，通过监测转子14的振动的振动频率和振型，关于机器10的条件的结论性诊断可以被给出。在确定磁通屏障30有缺陷时，一种或多种预防措施可以被采取，诸如机器10的自动停止。
虽然本公开已经参照示例性实施例描述，但是要了解的是，本发明不被限于上面已经描述的内容。例如，要了解的是，部件的尺寸可以根据需要变化。因此，本发明旨在可以仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (14)

1.一种标识同步磁阻电机(10)中的故障的方法，所述同步磁阻电机(10)包括定子(12)和转子(14)，所述转子(14)包括在所述转子(14)的轴向方向上堆叠的多个导磁芯元件(28)，并且每个芯元件(28)包括磁通屏障(30)，所述方法包括：
-在所述定子(12)的第一径向方向上对所述定子(12)执行第一振动测量；
-在所述定子(12)的第二径向方向上对所述定子(12)执行第二振动测量；
-基于所述第一振动测量和所述第二振动测量中的至少一个振动测量，确定第一振动频率；
-基于所述第一振动测量和所述第二振动测量，确定所述振动在所述第一振动频率下的振型；以及
-基于所述第一振动频率fb和所述振型m满足以下屏障故障条件：
fb＝fr，并且m＝1
确定所述转子(14)的磁通屏障(30)有缺陷，其中fr是所述转子(14)的旋转频率。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于所述第一振动频率fb满足以下屏障故障条件：
Figure FDA0003840716300000011
确定所述转子(14)的磁通屏障(30)有缺陷，其中fs是电源频率并且p是定子极对的数目。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括：
-在所述定子(12)的至少三个不同的径向方向上执行多个振动测量，诸如所述定子(12)的至少四个、至少六个或至少八个不同的径向方向；
-基于所述多个振动测量中的至少一个振动测量，确定第一振动频率；以及
-基于所述多个振动测量，确定所述振动在所述第一振动频率下的振型。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：当所述第一振动频率和所述振型满足所述屏障故障条件时，并且当所述第一振动频率下的振动幅度超过预定阈值时，确定所述转子(14)的磁通屏障(30)有缺陷。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述同步磁阻电机(10)的操作期间，对所述第一振动频率和所述振型是否满足所述屏障故障条件的所述确定被连续或重复地执行。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法被部分地在线执行。
7.一种用于标识同步磁阻电机(10)中的故障的监测系统(36)，所述同步磁阻电机(10)包括定子(12)和转子(14)，所述转子(14)包括在所述转子(14)的轴向方向上堆叠的多个导磁芯元件(28)，并且每个芯元件(28)包括磁通屏障(30)，所述监测系统(36)包括：
-第一传感器(20)，被布置为在所述定子(12)的第一径向方向上测量所述定子(12)的振动；
-第二传感器(20)，被布置为在所述定子(12)的第二径向方向上测量所述定子(12)的振动；以及
-控制系统(38)，包括至少一个数据处理设备(40)和在其上存储有计算机程序的至少一个存储器(42)，所述计算机程序包括程序代码，在由所述至少一个数据处理设备(40)中的一个或多个数据处理设备执行时，所述程序代码使所述至少一个数据处理设备(40)中的一个或多个数据处理设备执行以下所述步骤：
-基于来自所述第一传感器(20)和所述第二传感器(20)的测量信号，检测第一振动频率以及所述振动在所述第一振动频率下的振型；以及
-基于所述第一振动频率fb和所述振型m满足以下屏障故障条件：
fb＝fr，并且m＝1
确定所述转子(14)的磁通屏障(30)有缺陷，其中fr是所述转子(14)的旋转频率。
8.根据权利要求7所述的监测系统(36)，其中所述计算机程序包括程序代码，在由所述至少一个数据处理设备(40)中的一个或多个数据处理设备执行时，所述程序代码使所述至少一个数据处理设备(40)中的一个或多个数据处理设备执行以下所述步骤：
-基于所述第一振动频率fb满足以下屏障故障条件：
Figure FDA0003840716300000031
确定所述转子(14)的磁通屏障(30)有缺陷，其中fs是电源频率并且p是定子极对的数目。
9.根据权利要求7或8所述的监测系统(36)，其中所述监测系统(36)包括多个传感器(20)，所述多个传感器(20)被布置为在所述定子(12)的至少三个不同的径向方向上测量振动，诸如所述定子(12)的至少四个、至少六个或至少八个不同的径向方向，并且其中所述控制系统(38)被布置为从所述多个传感器(20)接收测量信号。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的监测系统(36)，其中所述计算机程序包括程序代码，在由所述至少一个数据处理设备(40)中的一个或多个数据处理设备执行时，所述程序代码使所述至少一个数据处理设备(40)中的一个或多个数据处理设备执行以下所述步骤：
-当所述第一振动频率和所述振型满足所述屏障故障条件时，并且当所述第一振动频率下的振动幅度超过预定阈值时，确定所述转子(14)的磁通屏障(30)有缺陷。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的监测系统(36)，其中在所述同步磁阻电机(10)的操作期间，对所述第一振动频率和所述振型是否满足所述屏障故障条件的所述确定被连续或重复地执行。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的监测系统(36)，其中所述传感器(20)被布置为与所述控制系统(38)无线通信。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的监测系统(36)，其中所述传感器(20)是加速度计。
14.一种同步磁阻电机(10)，包括根据权利要求7至13中任一项所述的监测系统(36)。
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