利用电磁特性分析对永磁同步电机进行故障诊断的新方法讲诉

文献翻译 题 目 利用电磁特性分析对永磁同步电机 进行故障诊断的新方法 学生姓名 黄建波 专业班级 电气工程及其自动化10级1班 学 号 541001020215 院 （系） 电气信息工程学院 指导教师 张志艳 完成时间 2014年 05月23日 1

利用电磁特性分析对永磁同步电机进行故障诊断的新方法 姚达，IEEE学生会员，石晓东，IEEE会员，马赫施·奎纳姆瑟，IEEE会员

摘要

本文提出了一种通过直接测量传感线圈的磁通量对永磁同步电机进行健康监测和多故障检测的新方法。不同于其他基于频谱的故障检测方案，这种方法仅需要测量用于故障检测的基频分量。因此，本方案的性能不受速度波动或者电源谐波的影响。此外，可以检测到匝间短路的位置和静态偏心的方向，这是其他方案都没有的。虽然是嵌入式技术，但它非常适合于关键任务和新兴技术的应用，离岸风力涡轮机和混合动力汽车技术，军事上的应用等故障的早期检测非常重要的场合。使用有限元分析进行二维模拟已经验证了不同条件下提出的方法。实验简介对定子匝间短路故障、失磁故障、静态偏心故障进行了讨论，对提出的方案进行实验，验证其有效性。 关键词：故障检测，有限元分析、永磁同步电机、传感线圈。 1.简介

过去十年，永磁同步电机(PMSM)由于其高效率、高输出功率体积比和高转矩电流比，在诸如风力涡轮机和电动汽车中得到了很大的普及。在这些关键任务的应用中，一个意想不到的机器故障可能会导致非常高的维修或更换费用，甚至灾难性的系统故障。因此，这种场合需要坚固可靠的健康监测和故障检测方法，可以为预防性维护提供依据，延长使用寿命，减少机器故障。 离线机故障检测与诊断的方法不能频繁地测试，经济上也不允许，研究人员已经提出了许多在线检测的方法，这类方法维修费用少、诊断结果更可靠。一个具有成本效益的方式是基于定子电流频谱，通常被称为电动机电流特征分析（MCSA）[1]-[6]。电机电流的特定次谐波可以作为某种特定故障的标志。由于离散傅里叶变换

(DFT)不包含机器操作和快速变化的速度的时间信息，短时傅里叶变换可以权衡时间和频率的分辨率。然而，一个固定长度的窗口可能导致不同的电流频率[7]不一致，改变电机的速度使它难以确定谐波次数。为了避免时间分辨率和频率分辨率之间的矛盾，罗赛罗等人[7]利用连续小波变换(CWT)和离散小波变换(DWT)在一台机器非平 2

稳状态下运行的退磁故障检测。埃斯皮诺萨等人[6]提出了相同的概念，采用希尔伯特-黄变换检测退磁。类似的方法也用于永磁同步电机[8]动态偏心故障检测。类似于目前的频谱，一些故障也隐藏在噪声、振动、转矩谱[9]-[13]。然而，由于加速度计、扭力计成本高，他们通常应用在相对较大的机器。这些频率分析算法比较费时，而且很难确定特定的谐波源。对于无刷永磁电机，由于部分退磁产生的谐波频率和动态偏心的标志一样，它们不能被区分开。在现实中，除了部分退磁，其他的不对称问题，如负载不平衡、失调，或振动载荷也可以产生[15]相同的谐波。 另一种故障诊断方法是基于电机模型。负序和零序电流[16]，[17]，负序和零序阻抗[18]，或负序和零序电压[19]，[20]作为故障检测指标。这些指标对于机器不对称故障很敏

感，故障产生的不对称信号可以被检测到。然而，任何不对称引起的机械结构或电源的不平衡可能会影响故障检测的准确性。基于电机模型，估计的物理参数，也可用于在线故障诊断，如定子电阻，电感，转子的转动惯量，摩擦，和反电动势常数[21]–[24]。在这种方法中，通常的电压、电流，和速度进行直接测量，其他参数是推算

出来的，当数据发生变化或者不对称的时候就能够及时发现故障。然而，这需要机器在正常运行状态下的准确参数。此外，要注意的是，这些方法不讨论以前提供的故障定位。 本文提出了一种利用测试线圈进行多故障检测的方法。这些线圈绕在电枢齿上，是嵌入式的，所以在制造或者制作绕组是就需要安装进去。事实上，对于电机故障检测，搜索线圈并不是一个新的概念。笔者等人[25][26]已经开发出一种方法，使用搜索线圈测量感应机的轴向漏磁信号进行感应电机中的一些常见故障的检测，如转子断条，绕线转子短路，匝间短路，偏心运转等。然而，他们也承认，由于电源中含有额外的谐波，而这种技术正是基于频谱分析，所以并不适用于变频调速系统。纳缇等人用安装在转子上的搜索线圈检测绕线转子的同步电机和双馈感应电机的定子匝间故障，这种方法基于测量搜索线圈电压的功率谱密度。在这种方法中，用搜索线圈测量定子中的磁通，只有测量电压的基频分量用于故障检测。所以他不受高频谐波的限制，这使得它适合于逆变/整流回馈电动机或发电机，如风力发电机和汽车系统。此外，该方法不需要机器参数的知识。而且，可以检测定子绕组短路准确位置和静态偏心的方向。 为了评估所提出的方案的有效性，已经对一个永磁同步电机进行了仿真和实验。偏心，电枢绕组匝间短路，和不同的负载条件下退磁已通过有限元分析（EFA） 3

模拟并进行了实验。 2.搜索线圈的实现原理

图1给出了本文的有限元模型的试验机，是通过一种商业的有限元分析软件Infolytica公司的MagNet建立的。这个三相Y型连接的电机有集中的电枢绕组和一个正弦反电动势。为了在测试阶段允许最大程度的自由，电机的定子齿上绕了12个搜索线圈，用来进行多故障检测与健康监测。每个搜索线圈测量四次，以减少测量的方差，获得更好的电压测量精度。它们的实现如图2所示。他们的电压被数据采集系统记录下来，以进行进一步的分析。实验实现的细节描述在第六节。 3.永磁体电机的故障类型

3.1偏心故障 电机的偏心故障会导致定子与转子之间的气隙不均匀。如果情况严重，不平衡磁拉力(UMP)可能会导致定子和转子接触[29]。通常，偏心分为三种类型：静态偏心，动态偏心，混合偏心。静态偏心的情况下，旋转轴有一个位移，通常是由于椭圆形定子或者轴承、定子或转子安装错位造成的。在这种情况下，气隙的长度在空间上是固定的。定子偏心率的表达式是[30]

gεess= (1)

式中sε是定子与转子轴的径向距离，g是平均气隙长度。偏心率的大小有如下限制 10se (2)

动态偏心故障时，定子的轴线与转子的旋转轴是重合的，但转子轴有一定角度的偏移。因此，最小气隙长度的位置是旋转的。这种情况下，通常是轴弯曲，或者安装错位引起的。同样，静态偏心率定义为

图1 测试机及其有限元模型 图2 测试机的搜索线圈及其有限元模型 4

gtgerddd

 (3)

式中d是转子轴与定子轴之间的距离，r是转子的机械角速度。 混合偏心是静态偏心与动态偏心相结合，定义式是

)cos(222teeeegegeerdsdsdsm (4)

)cos()sin(tan1teeteerdsrdm (5)

式中是混合偏心角，相对于静态偏心方向。这是一个周期变化的变量。这样，气隙长度airl可以通过计算得出：

)(sin)cos(),(2222geRgeRtlmrmsair

 (6)

式中是气隙的角位置，从o0到o360，sR和rR分别表示定子内径和转子外径。图3表示公式(6)气隙长度与静态偏心位置之间的函数关系，永磁同步电机气隙长度为0.635mm(0.025 in),sR为26.924mm(1.06 in),rR为26.289mm(1.035 in),此时0。

对于动态偏心的气隙长度，它具有完全相同的曲线，但它以和转子的速度相同的速度相同的速度朝一个方向运动。对于混合偏心，气隙长度仅仅是两者减去平均气隙长度再求和。 磁通量等于磁动势除以磁阻。在电机的磁路中，磁阻是气隙长度与背铁等效长度ironl的函数，其关系为

ironrironairairPMPMironairPMAlAtllHRRFt00),(),( (7)

式中是穿过搜索线圈的磁通量，PMF表示永磁体产生的磁动势，PMH表示永磁体在其工作点的磁场，PMl表示永磁体的厚度，airR和ironR表示气隙和背铁的磁

图3 静态气隙长度 5

阻，0表示空气的导磁率，r表示背铁的相对导磁率。如果只存在静态偏心，airl只是位置的函数，此时也是与时间无关的。如果存在动态偏心，是时间和位置的函数。 3.2电枢绕组短路

电枢绕组短路通常是由于绝缘失效引起的。他们通常分为相间短路，单相接地短路或匝间短路[ 16 ]。相间短路，保险丝可能烧毁，机器可能停机。相对地短路，如果机器继续运行，会出现一个很大的转矩脉动。匝间短路，故障绕组的有效匝要比其他健康组的有效匝少，所以可以通过机器的电枢电流、电枢磁动势找到不对称信号。这个特点可以作为本文的一个指标。图4显示了只考虑电枢磁动势时磁通的耦合路径。 由KCL，可以得到

cbaA212

1 (8)

式中A表示通过齿A的磁链，a表示齿A周围的一个线圈产生的磁链，b表示齿B周围的一个线圈产生的磁链，c表示齿C周围的一个线圈产生的磁链。向量图如图5所示。结果表明，当A相发生单相接地短路，仍然有1/3的磁链剩余，这是相邻的电枢绕组产生的。 3.3退磁

对于永磁体电机，现场故障通常和永磁体失效有关，最常见的问题就是退磁。退磁故障可能均匀地发生所有磁极或者某些特定的区域或磁极。可能导致永磁同步电机中永磁体退磁的条件包括： （1）高温或者冷却系统故障 （2）磁铁老化

图4 转子齿及背铁磁通路径 图5 三相磁链矢量图