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

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

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）

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]

g

ε

e s

s

=(1)

式中

s

ε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

1

0≤

≤

s

e

(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

g t g e r d d d ωεε∠== (3) 式中d ω是转子轴与定子轴之间的距离，r ω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(222t e e e e g

e g e e r d s d s d s m ω ++=+= (4) )cos()sin(tan 1t e e t e e r d s r d m ωω? +=∠=∠- (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air l 可以通过计算得出： )(sin )cos(),(2222?ζ?ζζ-----=g e R g e R t l m r m s air (6) 式中ζ是气隙的角位置，从o 0到o 360，s R 和r R 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),s R 为26.924mm(1.06 in),r R 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iron l 的函数，其关系为 iron r iron air air PM PM iron air PM A l A t l l H R R F t μμμζζ00),(),(+=+=Φ

(7)

式中Φ是穿过搜索线圈的磁通量，PM F 表示永磁体产生的磁动势，PM H 表示永磁体在其工作点的磁场，PM l 表示永磁体的厚度，air R 和iron R

表示气隙和背铁的磁图3 静态气隙长度

阻，0μ表示空气的导磁率，r μ表示背铁的相对导磁率。如果只存在静态偏心，air l 只是位置的函数，此时Φ也是与时间无关的。如果存在动态偏心，Φ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

c b a A λλλλ2121

--= (8)

式中A λ表示通过齿A 的磁链，a λ表示齿A 周围的一个线圈产生的磁链，b λ表示齿B 周围的一个线圈产生的磁链，c λ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

（3）磁铁锈蚀

（4）电枢电流不当

常用的烧结稀土永磁材料比如钕铁硼和钐钴等，

在他们B –H 曲线的第二象限的直线的退磁曲线是一条

直线。在居里温度一下，温度对剩磁的影响是近似线

性的，它们的关系是

)](1)[()(00T T T B T B B r r -?+= (9)

式中T 表示永磁体的工作温度，0T 表示最佳温

度，)(0T B r 表示在温度为0T 时的剩磁，B ?表示可逆温度系数，是一个负数。

4.工作原理

每个搜索线圈的磁通量都是永磁体和电枢线圈产生的磁通量的总和，基于在没有发生饱和的假设。为了分析磁通量不平衡的原因，需要对这两个元件解耦。永磁同步电机作为发电机运行的向量图如图6所示，其中下标f 、a 和fa 分别表示磁场、电枢以及电枢与磁场的组合。

空载时，当转子以同步转速旋转时，电压f E 是每相搜索线圈的励磁磁动势f F 产生的。磁动势的分布可以用空间矢量描述，而反电动势是和时间相关的。励磁磁动势f F 与电枢磁动势a F 叠加产生叠加磁动势fa F 称为电枢反应，这个磁动势产生的磁通量，会使搜索线圈有一个反电动势负载，即图6中的fa E 。

在实验中使用的永磁同步电机表面贴装了钕铁硼永磁体，从而交直轴电感相等。因此，相电流与交轴方向相同。而内部永磁同步电机的相电流有一个直轴分量。在任一情况下，搜索线圈测得的电压可以分解为

)()()(t E t E t E a f fa += (10)

由于永磁同步电机受逆变器控制，相电流不是理想的正弦波形。为了得到各次谐波的幅值，对(10)的两边进行傅里叶级数变换得到：

∑∑∑+∞-∞=+∞-∞=+∞-∞=+=k t jk k a k t jk k f k t jk k fa e a e a e a

ωωω___ (11)

式中k 表示谐波阶次，ω表示基波频率，a 表示各次谐波的幅值。

如果只考虑基波，也就是电机的同步频率，可以得到

1_1_1_a f fa a a a +=

(12)

图6 永磁同步电机一相的矢量图

从公式(12)可以看出，从搜索线圈测得的电压基波分量可以被分解为两部分：励磁分量和电枢分量。为了得到基波的幅值，可以对(11)应用时不变滤(LTI)波器。虽然在滤波时会产生振幅衰减和相移，但是由于励磁分量与电枢分量频率相同，所以两者衰减率和移相角相同。

5.仿真结果

Infolytica 公司的有限元分析软件MagNet

仿真了安装有搜索线圈的永磁同步电机的不同故障条件。本节介绍了二维有限元模拟的结果。

测量12个搜索线圈不同负载条件下的电压，分解得到2个极图，如图7所示。图7表示了(a)电枢反应电压和(b)感应磁场电压。不同的颜色代表不同的负载状态。每条曲线都有12个星号，代表12个定子磁极，每一对磁极之间有30度的机械角度。极图中，星号与极图中心的距离代表测量线圈的电压。

图7的两个极图表明，在不同负载条件下，电枢电压分量与负荷成正比，而励磁分量电压保持相同，除了直轴电枢有感应磁动势的干扰。

图8表示电机在0.127 mm(0.005 in,20%)和0.254mm(0.01 in,40%)的静态偏心图7 (a)电枢磁动势，(b)励磁磁动势 图8 静态偏心励磁分量

图9 动态偏心励磁分量

条件下，测量电压的励磁分量与正常情况下的对比。偏心的方向是正上方，在向量图中对应于90度。这种轻微的变化，在图中是90都，是很容易观察到的。

图9表示30%动态偏心的情况。可以看出有45度的位置变化，是采集数据时转子发生变化的方向。动态偏心时，变化的方向随着同步转速旋转，图9表示在任意瞬间的分布。

图10表示三种0度匝间短路的情况，分别为齿周围1匝、2匝和3匝电枢线圈发生匝间短路。这个位置安匝发生变化会导致电枢磁动势失真。可以看出，不同数量的匝间短路是可以被区分开来的。

图11表示三相中有一相接地的情况。就像在第四节解释的那样，A 相的齿有1/3的磁链幅值，分别在?0、?90、?180和?270的位置，由相邻相产生，B 相和C 相的齿有5/6的磁链幅值。

图10 匝间短路电枢分量 图11 对地短路电枢分量

图12 单极失磁故障励磁电流

图13 均匀失磁励磁分量

图12表示发生部分失磁的电机测量电压的励磁分量，分别为1/4极失磁20%和50%。由于转子以同步转速旋转，这个图像中的曲线是时变的，以同步转速旋转并保持形状不变。

图13表示一台均匀失磁的电机在任意时刻测量电压的励磁分量，所有磁极分别发生20%和50%的失磁。因为磁极处于均匀失磁状态，尽管图中红色的曲线以同步转速旋转，但其形状是不变的。因此，通过检测线圈的测量电压的励磁分量可以得到永磁体性能的恶化情况。

6.实验验证

为了验证所提出的方法，进行了试验论证，如图14所示，TI公司的DSP芯片TMS320C2812用来执行矢量控制必要的信号处理任务，用8kHZ的PWM信号驱动。LEM 电流变换器LTS25-NP用来检测电机各相的电流。1000线的增量式编码器进行位置测量。数据采集系统用15kHZ的采样频率采集搜索线圈的电压。

传统的SVPWM(空间矢量脉宽调制)矢量控制技术实现测试。图15是一个搜索线圈的测量电压的样本。

图14 实验设备图15搜索线圈的测量信号

实验设置了一个匝间短路故障，电机重绕以便在两个绕组模式之间切换。一个无故障，另一个A 相的定子齿A3发生四匝短路故障。图16是对定子进行重绕的过程。

图17是A 相的四个定子极的搜索线圈的电压。其中交轴电流为0.5A(矢量控制)。重绕的电机定子极A3发生4匝短路(每相一共18匝)。可以看出，A3脉冲(红色曲线)的幅度较低，这表明互感也比较小，说明A3绕组发生短路。图18是搜索线圈电压分解后的电枢分量。12条线代表一周12个定子极。可以看出，线圈A3的电枢分量小于其他组，这是比其他组少了4匝有效匝造成的。

将图18转换到极坐标得到图19，这张图更明确地说明了电机在 180发生匝间短路故障的情况。

实验也验证了电机的静态偏心故障的情况。为了创建一颗可预测的偏心，两个端板的内槽接地，加进去两块电工胶带。图20展现这种方案。

图16 线圈重绕使A 相短路 图17 A 相4极搜索线圈的电压

图18 匝间短路搜索线圈电压电枢分量 图19 匝间短路搜索线圈电压电枢分量

图20 一种偏心的情况 图21 A 相4极搜索线圈的电压

电机的气隙长度是25mils(0.635mm)，转子轴发生了大约7mils(电工胶带的厚度0.1778mm)的错位，使其发生大约28%的偏心。图21表示交轴电流设为0.4A，发生静态偏心时，A相4个定子极搜索线圈的电压。从图22可以看出，这4条曲线有不同的基波幅值。

分解后，A相每个搜索线圈的测量电压的励磁分量如图22所示。图像表明，定子齿A4的励磁分量最高，A2最低，A1和A3居中。表明A4方向发生偏心，气隙长度最短。

将12个搜索线圈的励磁分量放在一起，在一个极图中可以清楚地看出偏心的方向是电机的正下方，如图23所示。

为了进行局部失磁实验，拆除了一部分转子磁极。永磁体是烧结钕铁硼。损坏的转子如图24所示，这种损坏的结果如图25所示。从图中可以看出，1/8的转子极的磁场大约小了15%。

图22 静态偏心搜索线圈励磁分量图23 静态偏心搜索线圈励磁分量图24 有一个极被损坏的转子图25 有一个极被损坏的反电动势

图26表示A 相交轴电流设置为0.4A ，4个极中有1个极发生失磁，搜索线圈的电压。从图中可以看出，每条曲线每四个周期其测量

电压就发生一次异常。

与

A 相相关的每个搜索线圈的电压的励磁分量如

图27所示。可以看出，曲线出现周期性的下陷，这

表明转子发生部分失磁。将12个搜索线圈的励磁分

量放在同一张极图(图28)上，可以清楚地看到部分

失磁。

7.总结

本文呈现了对永磁同步电机状态检测和故障诊断的新方案，为了能测量到气隙磁通密度，搜索线圈缠绕在每个定子齿周围。虽然该方法是嵌入式的，但由于故障检测只用到了一次谐波，能够排除电力电子装置产生的谐波。这项技术的另一个优点是不需要负载的状况就能够进行精确地故障诊断。

二维瞬态有限元分析仿真了电机在不同运行状态下该方法的有效性。这样研究分析的故障包括静态和动态偏心、匝间短路、相对地短路以及部分和均匀失磁。结果表明，不同的故障，信号也不一样，可以轻松地区分开来，不需要耗时的模式识别算法。而且，可以得到偏心的方向和短路的位置。这种方法能够对每种故障的严重程度进行评估，这在关键任务应用程序如汽车、航空航天和军事中是极其重要的。

由于这种技术是嵌入式的，所以已经投入使用的电机不能使用。同时需要注意的是，如果在制造或者重绕时搜索线圈就被安装上了，并不需要增加大量的费用，因为这些搜索线圈只是少量的铜线圈。对于大功率商用及工业应用，系统的可靠性要比费用重要，使这项技术成为一个状态监视和故障检测有效的工具。

图26 A 相4个极搜索线圈的电压 图27 部分失磁搜索线圈励磁磁动势 图28 部分失磁搜索线圈励磁磁动势