CN115856624A - 一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法 - Google Patents

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CN115856624A CN202211658071.1A CN202211658071A CN115856624A CN 115856624 A CN115856624 A CN 115856624A CN 202211658071 A CN202211658071 A CN 202211658071A CN 115856624 A CN115856624 A CN 115856624A
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杭俊
赖江龙
丁石川
李伟
何旺
张鹏
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Abstract

本发明公开了一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法，涉及电机故障诊断技术领域；包括：首先在永磁电机相隔整数对极的定子齿上绕制i≥3个探测线圈；其次，在永磁电机稳定运行时，同时采集i个探测线圈的电压信号ui(x)；然后，根据ui(x)计算出静态偏析故障指标SE和动态偏心故障指标DE；根据故障特征值与设置阈值进行比较，判断永磁电机偏心故障类型；实现电机偏心故障诊断，能够有效的识别永磁电机的静态偏心、动态偏心及混合偏心故障；该方法易于实现，成本低。

Description

一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法
技术领域
本发明涉及电机故障诊断技术领域，具体是一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法。
背景技术
永磁电机具有高转速、高转矩、高可靠性而被广泛应用于航空航天、国防军工、汽车工业、风力发电等领域。作为机械能与电能之间进行转换装置，保证其稳定、高效运行至关重要。由于加工、装配以及长时间的高负荷运行，永磁电机可能会出现各种故障，偏心故障即为常见的电机故障的一种，若没有及时检测出电机偏心故障，长时间的偏心状态运行在电机内部产生不平衡磁拉力，使电机轴承磨损，故障程度进一步加剧，甚至引起转子损坏。研究表明，永磁电机偏心故障后，电机内部气隙分布不均匀，导致电机内部磁场分布发生变化。
因此，在电机内部放置探测线圈，根据法拉第电磁感应定律，不均匀分布的磁场在不同位置探测线圈中产生的感应电压不同，监测探测线圈端口电压变化，可以得知电机内部气隙变化情况，实现电机偏心故障诊断。为此，本发明提出一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法，实现了永磁电机偏心故障诊断与类型判别，能够有效的识别永磁电机的静态偏心、动态偏心及混合偏心故障；该方法易于实现，成本低。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法，包括如下步骤：
步骤一：将三个探测线圈采用漆包线，绕制在待诊断永磁电定子齿上；其中，每个探测线圈相隔整数对极；
步骤二：电机平稳运行时，通过电压采样电路采集每个探测线圈端口电压信号ui(x)；
步骤三：根据电压信号计算得到静态偏心故障指标SE和动态偏心故障指标DE；
步骤四：将静态偏心指标SE和动态偏心指标DE与设置好的阈值Tse和Tde进行比较；判断电机静态偏心和动态偏心故障。
进一步地，其中，静态偏心故障指标SE和动态偏心故障指标DE的具体计算步骤如下：
S31：首先对得到的三组探测线圈电压信号取绝对值；即：
U(i)(x)＝|usc(i)(x)| (1)
S32：对得到的绝对值信号取上包络线，即：
Uup(i)(x)＝up(U(i)(x)) (2)
S33：对Uup(i)(x)取倒数，即：
Figure BDA0004012377460000021
S34：利用信号均值对三组信号进行归一化，即
Figure BDA0004012377460000022
Figure BDA0004012377460000031
S35：对归一化的信号三组信号WN(i)(x)分别取上包络线和下包络线，即：
Vup(i)(x)＝up(WN(i)(x)) (6)
Vlow(i)(x)＝low(WN(i)(x)) (7)
S36：计算每组上、下包络线的均值，即：
Figure BDA0004012377460000032
S37：取每组信号上、下包络线均值的方差作为静态偏心存在性指标，即：
SE＝S(V(i)) (9)
S38：取三组信号上、下包络线距离的均值作为动态偏心存在性指标，即：
Figure BDA0004012377460000033
进一步地，其中，步骤四中判断电机静态偏心和动态偏心故障，具体为：
若SE≥Tse，则存在静态偏心；若DE≥Tde，则存在动态偏心；若SE≥Tse和DE≥Tde同时成立，则电机存在混合偏心。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在电机内部放置探测线圈，根据法拉第电磁感应定律，不均匀分布的磁场在不同位置探测线圈中产生的感应电压不同，监测探测线圈端口电压变化，可以得知电机内部气隙变化情况，实现电机偏心故障诊断，能够有效的识别永磁电机的静态偏心、动态偏心及混合偏心故障；该方法易于实现，成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明中探测线圈的摆放示意图。
图2为本发明的原理框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
其中图1为具体的36槽8极永磁电机模型与探测线圈在槽内的具体摆放位置，可以看到每个探测线圈相隔整数对极；其中探测线圈放置在定子槽内，其需要在电机出厂时直接埋入。在电机正常下线之后，在槽口嵌入探测线圈之后，再插入槽楔封住槽口；
如图2所示，一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法，包括如下步骤：
步骤一：将三个探测线圈采用漆包线，绕制在待诊断永磁电定子齿上；其中，每个探测线圈相隔整数对极；
步骤二：电机平稳运行时，通过电压采样电路采集每个探测线圈端口电压信号ui(x)；
步骤三：根据电压信号计算得到静态偏心故障指标SE和动态偏心故障指标DE；具体计算步骤如下：
S31：首先对得到的三组探测线圈电压信号取绝对值；即：
U(i)(x)＝|usc(i)(x)| (1)
S32：对得到的绝对值信号取上包络线，即：
Uup(i)(x)＝up(U(i)(x)) (2)
S33：对Uup(i)(x)取倒数，即：
Figure BDA0004012377460000051
S34：利用信号均值对三组信号进行归一化，即
Figure BDA0004012377460000052
Figure BDA0004012377460000053
S35：对归一化的信号三组信号WN(i)(x)分别取上包络线和下包络线，即：
Vup(i)(x)＝up(WN(i)(x)) (6)
Vlow(i)(x)＝low(WN(i)(x)) (7)
S36：计算每组上、下包络线的均值，即：
Figure BDA0004012377460000054
S37：取每组信号上、下包络线均值的方差作为静态偏心存在性指标：
SE＝S(V(i)) (9)
S38：取三组信号上、下包络线距离的均值作为动态偏心存在性指标：
Figure BDA0004012377460000055
步骤四：将静态偏心指标SE和动态偏心指标DE与设置好的阈值Tse和Tde进行比较；判断电机静态偏心和动态偏心故障，具体为：
若SE≥Tse，则存在静态偏心；若DE≥Tde，则存在动态偏心；若SE≥Tse和DE≥Tde同时成立，则电机存在混合偏心。
在本实施例中，探测线圈原理如下：
偏心故障下任意角度气隙长度为
Figure BDA0004012377460000061
根据等效磁路欧姆定律，第j条等效磁路磁通为
Figure BDA0004012377460000062
根据以上分析可知，当电机发生偏心故障时，等效磁路中的磁通发生变化，为了检测磁通变化，本文提出采用在电机定子齿上紧密地绕制三个探测线圈的方式，进行偏心检测，每个探测线圈相隔整数极。通过探测线圈的磁通可以近似看作为该齿所在等效磁路的磁通，由电磁感应定律，探测线圈两端电压为：
Figure BDA0004012377460000063
取
Figure BDA0004012377460000071
这些时间点可近似的看作为第j个定子齿上探测线圈取得最大电动势的时间点，那么一个机械周期T内将会有p个这样的时间点
Figure BDA0004012377460000072
Figure BDA0004012377460000073
/>
Figure BDA0004012377460000074
根据单元电机理论，定子槽数为Z，极对数为p的电机可以视为由p个相同的单元电机构成，当电机发生偏心故障时，可以视为p个相同的单元电机仅气隙分布不同，绕组磁动势与磁阻Rc分布完全相同，因此相隔整数对极的定子齿上安装探测线圈，即相当于每个探测线圈安装在不同单元电机的相同位置上；即：
Rc(j(1))＝Rc(j(2))＝Rc(j(3))＝...＝Rc(j(p))
Figure BDA0004012377460000075
为了更方便地计算故障程度，对Umax(j,k)和Umin(j,k)取倒数，并将其定义为故障指示量
Figure BDA0004012377460000076
当电机无故障时
Figure BDA0004012377460000077
Figure BDA0004012377460000078
Figure BDA0004012377460000081
定义
Figure BDA0004012377460000082
得到/>
Figure BDA0004012377460000083
结论：根据分析可得，当转速恒定时，Wmax(i,k)和Wmin(i,k)为直流量，且绝对值相等；
当电机只存在静态偏心时
Figure BDA0004012377460000084
Figure BDA0004012377460000085
Figure BDA0004012377460000086
当电机只存在动态偏心时
Figure BDA0004012377460000087
Figure BDA0004012377460000088
/>
Figure BDA0004012377460000089
结论：动态偏心时，三个探测线圈故障指示量Wmax(i,k)和Wmin(i,k)可视为直流量与余弦量的叠加，直流分量幅值相等，余弦分量的周期为机械周期T，时间相差2π·i/p，幅值相等，且幅值可反映动态偏心程度；
当电机混合偏心状态时
Figure BDA00040123774600000810
Figure BDA00040123774600000811
Figure BDA0004012377460000091
结论：混合偏心状态下故障指示量Wmax(i,k)和Wmin(i,k)相当于静态偏心和动态偏心的线性叠加，静态偏心导致三个故障指示量直流分量幅值不同，动态偏心产生余弦分量；
其中，不同偏心故障电机诊断结果如表1所示：
静态偏心 动态偏心 SE DE 诊断结果
0 0 7.55*10<sup>-4</sup> 1.07*10<sup>-2</sup> 健康
18％ 0 2.56*10<sup>-2</sup> 2.20*10<sup>-3</sup> 静态偏心
27％ 0 4.11*10<sup>-2</sup> 2.30*10<sup>-3</sup> 静态偏心
36％ 0 6.30*10<sup>-2</sup> 2.40*10<sup>-3</sup> 静态偏心
45％ 0 8.86*10<sup>-2</sup> 2.30*10<sup>-3</sup> 静态偏心
54％ 0 1.06*10<sup>-1</sup> 6.20*10<sup>-3</sup> 静态偏心
63％ 0 1.07*10<sup>-1</sup> 8.80*10<sup>-3</sup> 静态偏心
0 36％ 4.90*10<sup>-3</sup> 3.03*10<sup>-1</sup> 动态偏心
0 45％ 6.10*10<sup>-3</sup> 3.67*10<sup>-1</sup> 动态偏心
0 54％ 8.30*10<sup>-3</sup> 4.37*10<sup>-1</sup> 动态偏心
0 63％ 1.00*10<sup>-2</sup> 4.90*10<sup>-1</sup> 动态偏心
18％ 18％ 3.19*10<sup>-2</sup> 1.58*10<sup>-1</sup> 混合偏心
27％ 27％ 4.86*10<sup>-2</sup> 2.37*10<sup>-1</sup> 混合偏心
36％ 18％ 3.65*10<sup>-2</sup> 3.01*10<sup>-1</sup> 混合偏心
36％ 36％ 6.55*10<sup>-2</sup> 3.07*10<sup>-1</sup> 混合偏心
表1
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将三个探测线圈采用漆包线，绕制在待诊断永磁电定子齿上；其中，每个探测线圈相隔整数对极；
步骤二：电机平稳运行时，通过电压采样电路采集每个探测线圈端口电压信号ui(x)；
步骤三：根据电压信号计算得到静态偏心故障指标SE和动态偏心故障指标DE；
步骤四：将静态偏心指标SE和动态偏心指标DE与设置好的阈值Tse和Tde进行比较；判断电机静态偏心和动态偏心故障。
2.根据权利要求1所述的一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法，其特征在于，其中，静态偏心故障指标SE和动态偏心故障指标DE的具体计算步骤如下：
S31：首先对得到的三组探测线圈电压信号取绝对值；即：
U(i)(x)＝|usc(i)(x)| (1)
S32：对得到的绝对值信号取上包络线，即：
Uup(i)(x)＝up(U(i)(x)) (2)
S33：对Uup(i)(x)取倒数，即：
Figure FDA0004012377450000011
S34：利用信号均值对三组信号进行归一化，即
Figure FDA0004012377450000012
Figure FDA0004012377450000021
S35：对归一化的信号三组信号WN(i)(x)分别取上包络线和下包络线，即：
Vup(i)(x)＝up(WN(i)(x))(6)Vlow(i)(x)＝low(WN(i)(x))(7)
S36：计算每组上、下包络线的均值，即：
Figure FDA0004012377450000022
S37：取每组信号上、下包络线均值的方差作为静态偏心存在性指标，即：
SE＝S(V(i))(9)
S38：取三组信号上、下包络线距离的均值作为动态偏心存在性指标，即：
Figure FDA0004012377450000023
3.根据权利要求1所述的一种基于端口电压包络线的永磁电机偏心故障诊断方法，其特征在于，其中，步骤四中判断电机静态偏心和动态偏心故障，具体为：
若SE≥Tse，则存在静态偏心；若DE≥Tde，则存在动态偏心；若SE≥Tse和DE≥Tde同时成立，则电机存在混合偏心。
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