利用電磁特性分析對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行故障診斷的新方法..

1、文獻(xiàn)翻譯題目利用電磁特性分析對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行故障診斷的新方法學(xué)生姓名黃建波專業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化10級(jí)1班學(xué)號(hào)541001020215院（系）電氣信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師張志艷完成時(shí)間2014年05月23日利用電磁特性分析對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行故障診斷的新方法姚達(dá)，IEEE學(xué)生會(huì)員，石曉東，IEEE會(huì)員，馬赫施奎納姆瑟，IEEE會(huì)員摘要本文提出了一種通過直接測(cè)量傳感線圈的磁通量對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和多故障檢測(cè)的新方法。不同于其他基于頻譜的故障檢測(cè)方案，這種方法僅需要測(cè)量用于故障檢測(cè)的基頻分量。因此，本方案的性能不受速度波動(dòng)或者電源諧波的影響。此外，可以檢測(cè)到匝間短路的位置和靜態(tài)偏心的方向，

2、這是其他方案都沒有的。雖然是嵌入式技術(shù)，但它非常適合于關(guān)鍵任務(wù)和新興技術(shù)的應(yīng)用，離岸風(fēng)力渦輪機(jī)和混合動(dòng)力汽車技術(shù)，軍事上的應(yīng)用等故障的早期檢測(cè)非常重要的場合。使用有限元分析進(jìn)行二維模擬已經(jīng)驗(yàn)證了不同條件下提出的方法。實(shí)驗(yàn)簡介對(duì)定子匝間短路故障、失磁故障、靜態(tài)偏心故障進(jìn)行了討論，對(duì)提出的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其有效性。關(guān)鍵詞：故障檢測(cè)，有限元分析、永磁同步電機(jī)、傳感線圈。1簡介過去十年，永磁同步電機(jī)(PMSM)由于其高效率、高輸出功率體積比和高轉(zhuǎn)矩電流比，在諸如風(fēng)力渦輪機(jī)和電動(dòng)汽車中得到了很大的普及。在這些關(guān)鍵任務(wù)的應(yīng)用中，一個(gè)意想不到的機(jī)器故障可能會(huì)導(dǎo)致非常高的維修或更換費(fèi)用，甚至災(zāi)難性的系統(tǒng)故障

3、。因此，這種場合需要堅(jiān)固可靠的健康監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)方法，可以為預(yù)防性維護(hù)提供依據(jù)，延長使用壽命，減少機(jī)器故障。離線機(jī)故障檢測(cè)與診斷的方法不能頻繁地測(cè)試，經(jīng)濟(jì)上也不允許，研究人員已經(jīng)提出了許多在線檢測(cè)的方法，這類方法維修費(fèi)用少、診斷結(jié)果更可靠。一個(gè)具有成本效益的方式是基于定子電流頻譜，通常被稱為電動(dòng)機(jī)電流特征分析(MCSA)1-。電機(jī)電流的特定次諧波可以作為某種特定故障的標(biāo)志。由于離散傅里葉變換(DFT)不包含機(jī)器操作和快速變化的速度的時(shí)間信息，短時(shí)傅里葉變換可以權(quán)衡時(shí)間和頻率的分辨率。然而，一個(gè)固定長度的窗口可能導(dǎo)致不同的電流頻率不一致，改變電機(jī)的速度使它難以確定諧波次數(shù)。為了避免時(shí)間分辨率和頻

4、率分辨率之間的矛盾，羅賽羅等人利用連續(xù)小波變換(CWT)和離散小波變換(DWT)在一臺(tái)機(jī)器非平穩(wěn)狀態(tài)下運(yùn)行的退磁故障檢測(cè)。埃斯皮諾薩等人提出了相同的概念，采用希爾伯特-黃變換檢測(cè)退磁。類似的方法也用于永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)偏心故障檢測(cè)。類似于目前的頻譜，一些故障也隱藏在噪聲、振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩譜9-13。然而，由于加速度計(jì)、扭力計(jì)成本高，他們通常應(yīng)用在相對(duì)較大的機(jī)器。這些頻率分析算法比較費(fèi)時(shí)，而且很難確定特定的諧波源。對(duì)于無刷永磁電機(jī)，由于部分退磁產(chǎn)生的諧波頻率和動(dòng)態(tài)偏心的標(biāo)志一樣，它們不能被區(qū)分開。在現(xiàn)實(shí)中，除了部分退磁，其他的不對(duì)稱問題，如負(fù)載不平衡、失調(diào)，或振動(dòng)載荷也可以產(chǎn)生15相同的諧波。另一種故障

5、診斷方法是基于電機(jī)模型。負(fù)序和零序電流16，17，負(fù)序和零序阻抗18，或負(fù)序和零序電壓，20作為故障檢測(cè)指標(biāo)。這些指標(biāo)對(duì)于機(jī)器不對(duì)稱故障很敏感，故障產(chǎn)生的不對(duì)稱信號(hào)可以被檢測(cè)到。然而，任何不對(duì)稱引起的機(jī)械結(jié)構(gòu)或電源的不平衡可能會(huì)影響故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性?；陔姍C(jī)模型，估計(jì)的物理參數(shù)，也可用于在線故障診斷，如定子電阻，電感，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，摩擦，和反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)2H24。在這種方法中，通常的電壓、電流，和速度進(jìn)行直接測(cè)量，其他參數(shù)是推算出來的，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化或者不對(duì)稱的時(shí)候就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。然而，這需要機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下的準(zhǔn)確參數(shù)。此外，要注意的是，這些方法不討論以前提供的故障定位。本文提出了一種

6、利用測(cè)試線圈進(jìn)行多故障檢測(cè)的方法。這些線圈繞在電樞齒上，是嵌入式的，所以在制造或者制作繞組是就需要安裝進(jìn)去。事實(shí)上，對(duì)于電機(jī)故障檢測(cè)，搜索線圈并不是一個(gè)新的概念。筆者等人2526已經(jīng)開發(fā)出一種方法，使用搜索線圈測(cè)量感應(yīng)機(jī)的軸向漏磁信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)電機(jī)中的一些常見故障的檢測(cè)，如轉(zhuǎn)子斷條，繞線轉(zhuǎn)子短路，匝間短路，偏心運(yùn)轉(zhuǎn)等。然而，他們也承認(rèn)，由于電源中含有額外的諧波，而這種技術(shù)正是基于頻譜分析，所以并不適用于變頻調(diào)速系統(tǒng)。納緹等人用安裝在轉(zhuǎn)子上的搜索線圈檢測(cè)繞線轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)和雙饋感應(yīng)電機(jī)的定子匝間故障，這種方法基于測(cè)量搜索線圈電壓的功率譜密度。在這種方法中，用搜索線圈測(cè)量定子中的磁通，只有測(cè)量電壓的

7、基頻分量用于故障檢測(cè)。所以他不受高頻諧波的限制，這使得它適合于逆變/整流回饋電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)和汽車系統(tǒng)。此外，該方法不需要機(jī)器參數(shù)的知識(shí)。而且，可以檢測(cè)定子繞組短路準(zhǔn)確位置和靜態(tài)偏心的方向。為了評(píng)估所提出的方案的有效性，已經(jīng)對(duì)一個(gè)永磁同步電機(jī)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。偏心，電樞繞組匝間短路，和不同的負(fù)載條件下退磁已通過有限元分析（EFA）模擬并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。2搜索線圈的實(shí)現(xiàn)原理圖1測(cè)試機(jī)及其有限元模型圖2測(cè)試機(jī)的搜索線圈及其有限元模型圖1給出了本文的有限元模型的試驗(yàn)機(jī)，是通過一種商業(yè)的有限元分析軟件Infolytica公司的MagNet建立的。這個(gè)三相Y型連接的電機(jī)有集中的電樞繞組和一個(gè)正弦

8、反電動(dòng)勢(shì)。為了在測(cè)試階段允許最大程度的自由，電機(jī)的定子齒上繞了12個(gè)搜索線圈，用來進(jìn)行多故障檢測(cè)與健康監(jiān)測(cè)。每個(gè)搜索線圈測(cè)量四次，以減少測(cè)量的方差，獲得更好的電壓測(cè)量精度。它們的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。他們的電壓被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來，以進(jìn)行進(jìn)一步的分析。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)描述在第六節(jié)。3.永磁體電機(jī)的故障類型3.1偏心故障電機(jī)的偏心故障會(huì)導(dǎo)致定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻。如果情況嚴(yán)重，不平衡磁拉力(UMP)可能會(huì)導(dǎo)致定子和轉(zhuǎn)子接觸29。通常，偏心分為三種類型：靜態(tài)偏心，動(dòng)態(tài)偏心，混合偏心。靜態(tài)偏心的情況下，旋轉(zhuǎn)軸有一個(gè)位移，通常是由于橢圓形定子或者軸承、定子或轉(zhuǎn)子安裝錯(cuò)位造成的。在這種情況下，氣隙的長度在

9、空間上是固定的。定子偏心率的表達(dá)式是30e=(1)sg式中*是定子與轉(zhuǎn)子軸的徑向距離，g是平均氣隙長度。偏心率的大小有如下s限制0e|1(2)s動(dòng)態(tài)偏心故障時(shí)，定子的軸線與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸是重合的，但轉(zhuǎn)子軸有一定角度的偏移。因此，最小氣隙長度的位置是旋轉(zhuǎn)的。這種情況下，通常是軸彎曲，或者安裝錯(cuò)位引起的。同樣，靜態(tài)偏心率定義為式中w是轉(zhuǎn)子軸與定子軸之間的距離，w是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。dr混合偏心是靜態(tài)偏心與動(dòng)態(tài)偏心相結(jié)合，定義式是=d1可2+EF+2eesdCOS(wt)r14ZP=Ze=tan呼呻)e|+ejcos(wt)式中9是混合偏心角，相對(duì)于靜態(tài)偏心方向。這是一個(gè)周期變化的變量。這樣，氣隙長度

10、1可以通過計(jì)算得出:air1(L,t)=R-egcos(L-9)-yR2-e2g2sin2(L-9)(6)airsmrm式中L是氣隙的角位置，從0o到360o，R和R分別表示定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑。sr圖3表示公式(6)氣隙長度與靜態(tài)偏心位置之間的函數(shù)關(guān)系，永磁同步電機(jī)氣隙長度為0.635mm(0.025in),R為26.924mm(1.06in),R為26.289mm(1.035in),此時(shí)sr9=0。0.90.8070.60.50.40.3rEE)Lla匚些d&-茜3PA0-1020.3D.40.50.60.70.8Time(S)圖22靜態(tài)偏心搜索線圈勵(lì)磁分量.&.7.5點(diǎn).4.3DoDooo

11、O宀備OA00270圖23靜態(tài)偏心搜索線圈勵(lì)磁分量電機(jī)的氣隙長度是25mils(0.635mm),轉(zhuǎn)子軸發(fā)生了大約7mils(電工膠帶的厚度0.1778mm)的錯(cuò)位，使其發(fā)生大約28%的偏心。圖21表示交軸電流設(shè)為0.4A,發(fā)生靜態(tài)偏心時(shí)，A相4個(gè)定子極搜索線圈的電壓。從圖22可以看出，這4條曲線有不同的基波幅值。分解后，A相每個(gè)搜索線圈的測(cè)量電壓的勵(lì)磁分量如圖22所示。圖像表明，定子齒A4的勵(lì)磁分量最高，A2最低，A1和A3居中。表明A4方向發(fā)生偏心，氣隙長度最短。將12個(gè)搜索線圈的勵(lì)磁分量放在一起，在一個(gè)極圖中可以清楚地看出偏心的方向是電機(jī)的正下方，如圖23所示。為了進(jìn)行局部失磁實(shí)驗(yàn)，拆除

12、了一部分轉(zhuǎn)子磁極。永磁體是燒結(jié)釹鐵硼。損壞的轉(zhuǎn)子如圖24所示，這種損壞的結(jié)果如圖25所示。從圖中可以看出，1/8的轉(zhuǎn)子極的磁場大約小了15%。圖24有一個(gè)極被損壞的轉(zhuǎn)子圖25有一個(gè)極被損壞的反電動(dòng)勢(shì)0.620.640660.680.70.720.740.760.780.8Time(s)50.5広a01502025030.3504Time(s)7654321oaQaQQQse6o圖26A相4個(gè)極搜索線圈的電壓圖27部分失磁搜索線圈勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)圖26表示A相交軸電流設(shè)置為0.4A,4個(gè)極中有1個(gè)極發(fā)生失磁，搜索線圈的30300270電壓。從圖中可以看出，每條曲線每四個(gè)周期其測(cè)量電壓就發(fā)生一次異常。與

13、A相相關(guān)的每個(gè)搜索線圈的電壓的勵(lì)磁分量如圖27所示?？梢钥闯觯€出現(xiàn)周期性的下陷，這表明轉(zhuǎn)子發(fā)生部分失磁。將12個(gè)搜索線圈的勵(lì)磁分量放在同一張極圖（圖28）上，可以清楚地看到部分失磁。7總結(jié)圖28部分失磁搜索線圈勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)本文呈現(xiàn)了對(duì)永磁同步電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷的新方案，為了能測(cè)量到氣隙磁通密度，搜索線圈纏繞在每個(gè)定子齒周圍。雖然該方法是嵌入式的，但由于故障檢測(cè)只用到了一次諧波，能夠排除電力電子裝置產(chǎn)生的諧波。這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要負(fù)載的狀況就能夠進(jìn)行精確地故障診斷。二維瞬態(tài)有限元分析仿真了電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下該方法的有效性。這樣研究分析的故障包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)偏心、匝間短路、相對(duì)地短路以及部分和均勻失磁。結(jié)果表明，不同的故障，信號(hào)也不一樣，可以輕松地區(qū)分開來，不需要耗時(shí)的模式識(shí)別算法