《永磁同步電機(jī)偏心故障檢測(cè)方案設(shè)計(jì)》9600字（論文）

永磁同步電機(jī)偏心故障檢測(cè)方案設(shè)計(jì)摘要隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，永磁同步電機(jī)成為現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的一部分。電機(jī)作為工業(yè)設(shè)備的核心，它的運(yùn)行狀況會(huì)對(duì)工業(yè)設(shè)備的工作效率和穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。轉(zhuǎn)子的動(dòng)偏心是電機(jī)較為常見的一種故障，而工業(yè)電機(jī)因工作環(huán)境原因更容易發(fā)生偏心故障，工業(yè)電機(jī)一旦發(fā)生偏心故障將對(duì)正常工業(yè)生產(chǎn)帶來影響。轉(zhuǎn)子偏心會(huì)改變電機(jī)氣隙大小及磁場(chǎng)分布，氣隙磁場(chǎng)改變的同時(shí)，徑向電磁力也會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不平衡磁拉力。對(duì)電機(jī)的安全運(yùn)行和正常的工業(yè)生產(chǎn)造成安全隱患。因此，論文以常用的永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，著重于對(duì)偏心故障下電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分析及偏心檢測(cè)方法的研究。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；動(dòng)偏心故障；有限元分析；氣隙磁場(chǎng)。目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 2第一章緒論 11.1研究背景和意義 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3有限元分析法的介紹 21.4論文的主要工作 3第二章偏心故障下永磁同步電機(jī)不平衡磁拉力分析 42.1引言 42.2不平衡磁拉力的理論計(jì)算 42.3偏心故障下電機(jī)不平衡磁拉力的有限元仿真 62.3.1建立永磁同步電機(jī)ansoft仿真模型 62.3.2偏心故障下徑向電磁力仿真分析 92.3.3不平衡磁拉力和偏心程度的關(guān)系 10第三章偏心故障下永磁同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)分析3.1引言 123.2永磁同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)解析理論分析 123.2.1氣隙磁導(dǎo)分析 123.2.2氣隙磁場(chǎng)分析 133.3空載條件下正常永磁同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的有限元分析 14第四章永磁同步電機(jī)偏心故障檢測(cè)方案設(shè)計(jì) 174.1引言 174.2偏心故障檢測(cè)方案選擇 17第五章結(jié)論與展望 185.1總結(jié) 185.2展望 18參考文獻(xiàn) 19第一章緒論1.1研究背景和意義隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展，電機(jī)的使用已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，極大地促進(jìn)了生產(chǎn)生活的便利和生產(chǎn)的發(fā)展。電機(jī)在工業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展中扮演著不可或缺的重要角色。電機(jī)可能出現(xiàn)的故障主要分為：（1）定子方面的故障：定子鐵芯故障以及斷路、匝間短路和相間短路等；（2）轉(zhuǎn)子方面的故障：軸承彎曲、端環(huán)斷裂、轉(zhuǎn)子繞組短路、導(dǎo)條開焊；（3）機(jī)械方面的故障：軸承損裂、定轉(zhuǎn)子碰撞。這些故障的出現(xiàn)將嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。每年因電機(jī)故障所造成的經(jīng)濟(jì)損失無法估量。這些損失不但包括了電機(jī)本身的成本，也包括因電機(jī)損壞停產(chǎn)所造成的其它經(jīng)濟(jì)損失。隨著社會(huì)的發(fā)展和工業(yè)化程度的提高，人們對(duì)電機(jī)能夠可靠運(yùn)行的要求也越來越高。電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心故障是一種常見故障，電機(jī)轉(zhuǎn)子一旦偏心，氣隙的寬度就不再是均勻的，這將造成氣隙磁場(chǎng)發(fā)生變化，定轉(zhuǎn)子間將會(huì)出現(xiàn)不平衡磁拉力，這種不平衡磁拉力會(huì)惡化電機(jī)性能，加深偏心的程度，造成氣隙磁場(chǎng)的畸變。所以對(duì)電機(jī)偏心故障進(jìn)行診斷研究，預(yù)防偏心故障程度加深，對(duì)保障正常的工業(yè)生產(chǎn)具有重大的意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀根據(jù)以往在分析電機(jī)電流信號(hào)的基礎(chǔ)上，對(duì)偏心檢測(cè)方面具有頗深的研究經(jīng)驗(yàn)。如果感應(yīng)電機(jī)存在偏心故障，將會(huì)有一些頻率特定的電流分流存在于定子繞組中經(jīng)過多方面的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，找到了繞組函數(shù)法，為氣隙偏心的進(jìn)一步研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也提出了相應(yīng)的感應(yīng)電機(jī)多回路模型，在正弦電壓激勵(lì)基礎(chǔ)下，對(duì)無故障電機(jī)的啟動(dòng)性能給予仿真，取得了較好的應(yīng)用效果，在此模型的基礎(chǔ)下，對(duì)各種感應(yīng)電機(jī)故障進(jìn)行分析，比如定子繞組短路、定子繞組開路、轉(zhuǎn)子斷條、轉(zhuǎn)子斷環(huán)等，得到了效果較好的故障特征。比如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電流等。在此模型中氣隙是均勻的，在電感的計(jì)算過程中，很容易體現(xiàn)氣隙偏心效果，在后來的研究中，是具有支持作用的理論依據(jù)。在研究過程中，多回路模型應(yīng)用的比較多，在電感矩陣的計(jì)算中，體現(xiàn)出靜態(tài)氣隙偏心，并使用氣隙長(zhǎng)度增大的方法對(duì)鐵心磁壓降進(jìn)行考慮，事實(shí)驗(yàn)證，在電感計(jì)算中確實(shí)存在氣隙偏心現(xiàn)象，但是定子繞組間之間的互感是有區(qū)別的。隨后，對(duì)靜態(tài)偏心和無偏心情形下的空載啟動(dòng)性能之間的差異進(jìn)行比較，主要包括定子磁鏈曲線、轉(zhuǎn)子磁鏈曲線、轉(zhuǎn)速曲線、轉(zhuǎn)矩曲線、定子電流曲線、轉(zhuǎn)子電流曲線等等，研究結(jié)果顯示，在感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行的過程中，如果存在靜態(tài)偏心現(xiàn)象，將會(huì)延長(zhǎng)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。在感應(yīng)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)的情形下，如果轉(zhuǎn)子電流增大，將會(huì)使電機(jī)的穩(wěn)態(tài)升溫。有常見的幾種診斷方法：（1）基于信號(hào)處理的方法基于信號(hào)處理的方法，通常是利用信號(hào)模型（如相關(guān)函數(shù)、頻譜、小波變換等）這些可以直接分析可測(cè)信號(hào)，或者間接利用幅值、頻率、電流等值，以這些為依據(jù)進(jìn)行故障分析。（2）基于解析模型的方法基于解析模型的方法是以診斷對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，按照一定的數(shù)學(xué)方法對(duì)被測(cè)信息進(jìn)行診斷處理，其優(yōu)點(diǎn)是能深入系統(tǒng)本質(zhì)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷。（3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法。（4）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork）具有大規(guī)模并行分布處理、聯(lián)想記憶、自組織學(xué)習(xí)、容錯(cuò)性等優(yōu)良特性，對(duì)于非確定性的知識(shí)具有極強(qiáng)的處理能力，能夠解決許多傳統(tǒng)方法所無法解決的問題。然而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一些缺點(diǎn)限制了他的一些應(yīng)用，如：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以確定、局部極點(diǎn)小等問題。另外還有很多其它的智能診斷方法，然而每種診斷方法都有其局限性和缺點(diǎn)，因此將多種方法相結(jié)合的綜合故障診斷技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。1.3有限元分析法的介紹有限元分析（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。因?yàn)閷?shí)際問題被較簡(jiǎn)單的問題所代替，所以這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值計(jì)算方法。1.4論文的主要工作本文的主要目的旨在通過對(duì)偏心故障下電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)和不平衡磁拉力變化情況的分析，設(shè)計(jì)一種新的偏心故障檢測(cè)方案。該方案利用霍爾傳感模塊和多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)構(gòu)建磁場(chǎng)采集裝置，利用傅里葉變換方法處理磁場(chǎng)數(shù)據(jù)提取故障特征，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)偏心故障檢測(cè)。主要工作內(nèi)容概括如下：（1）采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)偏心故障下永磁同步電機(jī)的不平衡磁拉力公式進(jìn)行推導(dǎo)，并利用ansoft仿真軟件建立永磁同步電機(jī)二維模型，對(duì)永磁同步電機(jī)在不同程度偏心程度下的磁拉力進(jìn)行分析，揭示了不平衡磁拉力隨偏心率的變化規(guī)律：改變電機(jī)運(yùn)行負(fù)載，利用有限元方法探究發(fā)生偏心故障的永磁同步電機(jī)分別在電機(jī)空載、0.5倍額定負(fù)載和額定負(fù)載情況下不平衡磁拉力的變化情況。（2）探究偏心故障下永磁同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的變化情況。首先采用解析方法對(duì)正常電機(jī)和偏心故障電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行分析。接著利用有限元方法對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，將空載正常運(yùn)行情況下的磁場(chǎng)分布和氣隙磁密與不同程度偏心電機(jī)的磁場(chǎng)分布和氣隙磁密進(jìn)行對(duì)比，確定了偏心故障及不同偏心程度下電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的變化特征。采用傅里葉變換對(duì)氣隙磁場(chǎng)的諧波進(jìn)行分解，得到各個(gè)階次諧波在電機(jī)偏心故障下的分布情況。（3）在前面的理論分析和仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，針對(duì)當(dāng)前檢測(cè)方法的不足和對(duì)偏心故障檢測(cè)的需求分析，設(shè)計(jì)一種利用傳感器檢測(cè)氣隙內(nèi)多點(diǎn)磁場(chǎng)信息判斷偏心故障的檢測(cè)方案。檢測(cè)系統(tǒng)包括傳感電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及上位機(jī)處理模塊，通過對(duì)磁場(chǎng)的信息采集、處理并對(duì)比對(duì)故障特性判斷偏心故障類型及最小氣隙位置。最后利用有限元模型對(duì)檢測(cè)方案的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

偏心故障下永磁同步電機(jī)不平衡磁拉力分析2.1引言電機(jī)的偏心故障常常伴隨著不平衡磁拉力的產(chǎn)生，是因?yàn)槠膶?dǎo)致氣隙磁場(chǎng)變化。先對(duì)不平衡磁拉力進(jìn)行公式理論推導(dǎo)，然后建立永磁同步電機(jī)的二維有限元模型，對(duì)電機(jī)在不同偏心狀態(tài)下的不平衡磁拉力進(jìn)行仿真。2.2不平衡磁拉力的理論計(jì)算不平衡磁拉力就是麥克斯韋力，由麥克斯韋張力法，可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)子單位面積上的電磁力F,單位面積上的電磁力F又可以分解為徑向分量Fr和切向分量F圖2.1電磁力徑向分力和切向分力示意圖徑向分量Fr和切向分量FF(2-1)F(2-2)式中：BrBtμ0由麥克斯韋法可以推導(dǎo)出單位長(zhǎng)度上的徑向電磁力為：F(2-3)做出電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑和定子內(nèi)徑的偏心示意圖如圖2.2所示。其中c1、c2為初始圓心和偏心后圓心，s是沿轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心的偏心距離，α是定子內(nèi)圓中任一點(diǎn)和圓心所連直線同偏心方向所構(gòu)成的夾角，則該徑向電磁力在偏心方向所受的分解力為Frl,其中FF=(2-4)式中：R——定子鐵心內(nèi)徑。在知道氣隙磁密B的分布情況后，代入式（2-4）可得不平衡磁拉力的表達(dá)式：F(2-5)設(shè)圓周上的任意一個(gè)點(diǎn)k的極坐標(biāo)（rk+1，θk），該點(diǎn)處的氣隙磁密是BkF(2-6)其中n為轉(zhuǎn)子圓周上的任一點(diǎn)，m是轉(zhuǎn)子圓周分解的總點(diǎn)數(shù)。轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的全部不平衡磁拉力是：F(2-7)式中：ld對(duì)x軸和y軸方向上的電磁力進(jìn)行積分，可得到不平衡磁拉力在x軸和y軸上的分量：F(2-8)圖2.2轉(zhuǎn)子偏心示意圖2.3偏心故障下電機(jī)不平衡磁拉力的有限元仿真2.3.1建立永磁同步電機(jī)ansoft仿真模型首先在RMxpert中新建要解的模型→設(shè)置模型各個(gè)部分參數(shù)及材料→對(duì)設(shè)置好的RMxpert模型進(jìn)行求解→生成maxwell3D模型→轉(zhuǎn)子偏心及激勵(lì)設(shè)置→進(jìn)行仿真運(yùn)算。1.永磁同步電機(jī)的基本參數(shù)本文使用的仿真的永磁同步電機(jī)的基本參數(shù)如下表2.1。額定功率（KW）1.1定子外徑（mm）145額定電壓（V）220定子內(nèi)徑（mm）79額定轉(zhuǎn)速（rpm）1500鐵心長(zhǎng)度（mm）76功率因數(shù)0.95轉(zhuǎn)子外徑（mm）77繞組連接方式Y(jié)槽數(shù)24極對(duì)數(shù)2氣隙寬度（mm）1表2.1永磁同步電機(jī)的基本參數(shù)2.永磁同步電機(jī)的基本假設(shè)1）電機(jī)鐵芯所受外部磁場(chǎng)的影響不計(jì)，轉(zhuǎn)軸是絕對(duì)磁絕緣的；2）不考慮鐵芯邊緣結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的影響；3）假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子所用的材料具有同向性；4）不計(jì)電機(jī)繞組產(chǎn)生的溫度的影響。3.永磁同步電機(jī)模型邊界條件的設(shè)置有限元方法的本質(zhì)是求解矩陣方程的過程，要得到一組解，必須有確定的求解條件。方程的定解條件和邊界條件在有限元方法中具有相同的函數(shù)。因此，正確地設(shè)置邊界條件，是順利求解矩陣方程和保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性的前提。邊界條件就是在仿真模型的邊緣設(shè)置的已知條件。有限元中常用的已知條件有諾依曼邊界條件：??(2-9)式（2-9）中，n表示邊界外法線矢量，г表示諾依曼邊界。h(г)和f(г)是一般函數(shù)，也可以是零和常數(shù)，在邊界條件齊次化時(shí)其值可以為零。該邊界條件在Ansoft中的RMxpert模塊會(huì)自行在計(jì)算的過程由軟件調(diào)節(jié)，不需人為設(shè)定。有限元法中經(jīng)常用到的邊界條件還有自然邊界條件。自然邊界條件是指兩種材料不同的材質(zhì)的接觸邊界的切向和法向回歸到自然邊界。采用的永磁同步電機(jī)的所用材料如下圖2.2所示。電機(jī)部件材料電機(jī)部件材料定子鐵心DW465-50轉(zhuǎn)子鐵心DW465-50定子導(dǎo)體銅定子求解域空氣永磁體XG196/96氣隙空氣表2.2永磁同步電機(jī)各部分材料設(shè)置模型的生成把所有設(shè)置和材料在AnsoftMaxwell的Rmxpert模塊中進(jìn)行設(shè)置，如圖2.3所示。圖2.3RMxpert模塊參數(shù)設(shè)置生成的RMxpert模型導(dǎo)入Maxwell3D模型如圖2.4。圖2.4永磁同步電機(jī)二維模型圖偏心模型的設(shè)置本文后續(xù)研究要基于永磁同步電機(jī)3D模型進(jìn)行，需要基于不同程度偏心故障進(jìn)行分析和仿真驗(yàn)證，因此需要建立不同的偏心模型。為了便于分析，引入偏心度k來測(cè)量轉(zhuǎn)子偏心程度的大小k=(2-10)式中：s——轉(zhuǎn)子偏心距離；g——?dú)庀堕L(zhǎng)度。2.3.2偏心故障下徑向電磁力仿真分析采用有限元分析法對(duì)正常電機(jī)和不同偏心率下的電機(jī)的徑向電磁力進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行對(duì)比。通過有限元方法計(jì)算得到空載的正常電機(jī)的氣隙各點(diǎn)處的徑向電磁力密度如圖2.4所示由圖2.4可知，徑向電磁力的波峰和電極磁極對(duì)應(yīng)，空載正常電機(jī)的各磁極下的電磁力密度基本相同且呈對(duì)稱周期分布。由此可知，在沒有偏心故障出現(xiàn)的正常電機(jī)的各磁極產(chǎn)生的電磁力完全相同，以此保障轉(zhuǎn)子在各個(gè)方向所受磁拉力平衡，此時(shí)沒有不平衡磁拉力產(chǎn)生，電機(jī)可以保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)相鄰兩磁極間隙的電磁力密度為0，從磁極邊緣到中間電磁力密度的幅值有所增加，這與永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)規(guī)律相同。為了分析電機(jī)的偏心故障對(duì)不平衡磁拉力的影響，采用麥克斯韋應(yīng)力計(jì)算偏心度分別為20%和40%的電機(jī)的徑向電磁密度，將得到的結(jié)果和正常電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，徑向電磁力密度對(duì)比圖如下圖2.4所示。圖2.4空載正常電機(jī)徑向電磁力密度分布圖從圖2.4中永磁同步電機(jī)的徑向電磁力對(duì)應(yīng)著電機(jī)永磁體出現(xiàn)四個(gè)波峰。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)偏心故障時(shí)，徑向電磁力變化較為明顯。但垂直于偏心方向上的兩側(cè)磁極所對(duì)應(yīng)的徑向電磁力變化不明顯。這是因?yàn)檫@兩側(cè)磁極的方向與偏心故障的方向垂直，所以受偏心故障影響較小，偏心故障程度變化時(shí)，該處的徑向電磁力基本上不發(fā)生變化。在偏心近氣隙側(cè)，徑向電磁力受偏心故障影響較大，電磁力明顯變大。而在偏心遠(yuǎn)氣隙側(cè)，隨著偏心程度的不斷增大，徑向電磁力則在不斷變小。這說明了偏心情況下，電磁力隨著氣隙磁密的變化也在發(fā)生相應(yīng)的變化，并且在偏心方向上產(chǎn)生了不平衡磁拉力，且隨著偏心程度不斷加劇，不平衡磁拉力也在不斷增大，造成定、轉(zhuǎn)子圓心不再重合，甚至造成定轉(zhuǎn)子相碰的可怕后果。2.3.3不平衡磁拉力和偏心程度的關(guān)系對(duì)偏心近氣隙處的定子齒和遠(yuǎn)氣隙處的定子齒，分別進(jìn)行仿真計(jì)算。得到計(jì)算結(jié)果如下圖2.5。圖2.5徑向電磁力密度局部放大圖從圖中能看出，近氣隙的徑向電磁力明顯高于遠(yuǎn)氣隙處的電磁力，這是因?yàn)榻鼦⑻幍臍庀秾挾葴p小，相應(yīng)的氣隙磁密變大，氣隙磁密減小導(dǎo)致的。因此可以驗(yàn)證電機(jī)的偏心故障導(dǎo)致偏心方向上的轉(zhuǎn)子的所受徑向電磁力不平衡，從而產(chǎn)生不平衡磁拉力，而電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心程度越大，轉(zhuǎn)子受到的不平衡磁拉力也會(huì)越大。通過分析發(fā)現(xiàn)，不平衡磁拉力和電機(jī)偏心程度成正比關(guān)系。偏心程度越大，電機(jī)轉(zhuǎn)子近氣隙和遠(yuǎn)氣隙所受到的徑向電磁力的差值也越大。后面對(duì)不同程度偏心故障的電機(jī)轉(zhuǎn)子所受不平衡磁拉力進(jìn)行計(jì)算。得到的結(jié)果繪制下圖2.6。圖2.6不平衡磁拉力解析結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對(duì)比由圖2.6可知，電機(jī)在正常時(shí)，轉(zhuǎn)子各個(gè)方向所受的徑向電磁力平衡，此時(shí)并沒有不平衡磁拉力產(chǎn)生，隨著電機(jī)偏心程度的增大，電機(jī)轉(zhuǎn)子所受到的不平衡磁拉力也在變大，且呈正比變化。偏心距離為0.4mm時(shí)的不平衡磁拉力約為0.2mm時(shí)的兩倍，電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的不平衡磁拉力與轉(zhuǎn)子的靜態(tài)偏心程度成線性關(guān)系。且數(shù)值計(jì)算和結(jié)果基本相符。

第三章偏心狀態(tài)時(shí)永磁同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)分析3.1引言永磁同步電機(jī)在出現(xiàn)偏心時(shí)，偏心會(huì)引起電機(jī)氣隙發(fā)生改變，而氣隙磁場(chǎng)的變化會(huì)對(duì)電機(jī)的整體功能起到關(guān)鍵性的作用。這章先對(duì)氣隙磁導(dǎo)進(jìn)行理論分析，然后采用有限元分析法，對(duì)不同偏心程度的電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的變化進(jìn)行分析，找出規(guī)律。3.2永磁同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)解析理論分析3.2.1氣隙磁導(dǎo)分析假設(shè)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子外表光滑，若電機(jī)極對(duì)數(shù)為p，氣隙長(zhǎng)度為g，定子槽數(shù)為z1，槽口寬度為b1，槽深為h，齒距為t，兩槽距離為b，極距離為g(x)=gkt?式中：(k=0,1,2,...,zp),gm為轉(zhuǎn)子表面到定子槽底部的距離；br1氣隙比磁導(dǎo)：λg將λ1λ(3-3)式中：λλxt在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)中，永磁體上產(chǎn)生的諧波的表達(dá)式為?(3-4)在定子坐標(biāo)中，永磁體上產(chǎn)生的諧波的表達(dá)式為?(3-5)3.2.2氣隙磁場(chǎng)分析轉(zhuǎn)子永磁體v次諧波磁動(dòng)勢(shì)，作用于氣隙平均磁導(dǎo)產(chǎn)生μ=γ次氣隙諧波磁場(chǎng)，該諧波磁場(chǎng)在定子上的變化頻率為?μ氣隙諧波磁場(chǎng)強(qiáng)度如下式所示。Hn=1sin(3-6)作為電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換的重要通道，氣隙對(duì)磁場(chǎng)的壓降可占閉合磁路磁壓降的65%以上，由此可以看出，氣隙磁場(chǎng)的變化將對(duì)電機(jī)的運(yùn)行和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。設(shè)正常電機(jī)沿圓周方向的氣隙寬度為g，則永磁同步電機(jī)徑向氣隙磁密BrB(3-7)B??dg——轉(zhuǎn)子氣隙寬度；當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心故障時(shí)，實(shí)際氣隙長(zhǎng)度為g=(3-8)式中:g0K——轉(zhuǎn)子偏心率；α——位置角；電機(jī)發(fā)生靜態(tài)偏心故障時(shí)的徑向氣隙磁密為B(3-9)通過氣隙某點(diǎn)的磁鏈將為：Ψ(t)=式中：lsrgBrZ——定子槽數(shù)；3.3空載條件下正常永磁同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的有限元分析3.3.1磁力線及磁密云圖若要分析轉(zhuǎn)子偏心對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響，首先要掌握正常狀態(tài)下電機(jī)的磁場(chǎng)特性。利用前面的模型，讓電機(jī)在空載條件下運(yùn)行，計(jì)算電機(jī)在空載正常時(shí)運(yùn)行的電磁性能。得到電機(jī)磁密云圖和磁力線分別如圖3.1和3.2所示。圖3.2空載情況下電機(jī)磁密云圖圖3.3空載情況下電機(jī)磁力線由圖3.1和圖3.2可知電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布情況，在磁密云圖中，看出在空載條件下，永磁同步電機(jī)各個(gè)磁極部分的磁力線和磁密分布情況相似，且磁力線主要集中在四個(gè)磁極附近，穿過氣隙后分布在定子和轉(zhuǎn)子鐵心中，并且都是閉合的。有少部分的磁感線穿過了定子槽形成了漏磁場(chǎng)。在定子齒和氣隙中，磁力線對(duì)應(yīng)著磁極呈對(duì)稱分布。這說明空載條件下電機(jī)各磁極部分磁場(chǎng)都為對(duì)稱分布，且漏磁較小。3.3.2氣隙磁密分析由式（3-7）可知，永磁同步電機(jī)氣隙磁密的大小和氣隙寬度成反比關(guān)系。越靠近永磁體磁極，氣隙磁密越高，兩相鄰磁極之間的空隙磁密將達(dá)到最小。電機(jī)的偏心故障會(huì)引起氣隙寬度的變化，然后會(huì)影響氣隙磁密度的大小。通過有限元仿真計(jì)算，就可以得到電機(jī)氣隙磁密在電機(jī)中的分布，如下圖3.4。圖3.4空載狀態(tài)下永磁同步電機(jī)氣隙磁密曲線圖

第四章永磁同步電機(jī)偏心故障檢測(cè)方案設(shè)計(jì)4.1引言前面幾章對(duì)電機(jī)的偏心故障下的氣隙磁場(chǎng)特性進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真分析?，F(xiàn)在要結(jié)合偏心故障下氣隙磁場(chǎng)的變化特點(diǎn)，根據(jù)偏心故障檢測(cè)方案，并對(duì)方案內(nèi)容和偏心的故障的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)做簡(jiǎn)單的闡述，最后利用有限元分析法對(duì)檢測(cè)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。4.2.檢測(cè)方案的需求分析第三章對(duì)永磁同步電機(jī)氣隙磁導(dǎo)和氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)氣隙磁導(dǎo)與氣隙寬度成反比的關(guān)系，當(dāng)電機(jī)發(fā)生靜態(tài)偏心的時(shí)候，電機(jī)的氣隙不再平衡，將出現(xiàn)靠近偏心側(cè)方向上的最小氣隙處和遠(yuǎn)離偏心方向上的最大氣隙處，氣隙磁密也將隨著氣隙發(fā)生改變，近偏心側(cè)的氣隙磁密中的基波分量變大，遠(yuǎn)偏心側(cè)的氣隙磁密的基波分量減小。且偏心發(fā)生時(shí)的氣隙磁場(chǎng)中將出現(xiàn)偶次諧波分量，因此根據(jù)偏心情況下氣隙磁場(chǎng)的這些變化特征可以提出一種利用檢測(cè)氣隙磁場(chǎng)診斷偏心故障的方法。4.3方案整體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)傳感電路模塊傳感電路模塊將采用多點(diǎn)磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)。多點(diǎn)測(cè)量是按一定規(guī)律放置傳感器，采集電機(jī)內(nèi)部各處的磁場(chǎng)信息，并通過對(duì)這些信息進(jìn)行比對(duì)分析，提取出故障特征，從而判斷故障位置與故障類型。數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊傳感電路和上位機(jī)之間通過采集電路連接，完成上下位機(jī)之間的指令和數(shù)據(jù)傳送，它的工作流程為：電機(jī)啟動(dòng)同時(shí)接通傳感電路模塊電源，傳感電路上的霍爾傳感器將對(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)信息進(jìn)行采集，將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后傳感電路的電壓信號(hào)經(jīng)放大器放大后被采集電路模塊的A/D轉(zhuǎn)換器采集，至此，磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為了數(shù)字信號(hào)。上位機(jī)終端上位機(jī)中主要包括數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用軟件，其功能主要為：數(shù)據(jù)采集：接受數(shù)據(jù)采集模塊輸送的數(shù)字信號(hào)通過上位機(jī)利用采集命令數(shù)據(jù)顯示：其應(yīng)用界面能夠?qū)崟r(shí)顯示采集到的數(shù)字信號(hào)并不斷刷新。數(shù)據(jù)處理：需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，提取出數(shù)字串中的有效信息并擬合出曲線。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：能夠?qū)?shù)字信息的處理結(jié)果進(jìn)行保存，以便我們查詢。4.4仿真結(jié)果我們還可以通過maxwell和simulink的聯(lián)合仿真也可以電流和轉(zhuǎn)子的角速度對(duì)電機(jī)故障進(jìn)行分析。如圖4.1、4.2圖4.1故障電機(jī)的電流曲線圖4.2故障電機(jī)的角速度曲線

結(jié)論與展望第五章結(jié)論與展望5.1總結(jié)永磁同步電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用不言而喻，電機(jī)作為工業(yè)機(jī)械的核心，其運(yùn)行狀況對(duì)機(jī)械的工作效率和穩(wěn)定性產(chǎn)生直接的巨大影響。作為電機(jī)最為常見的故障之一，轉(zhuǎn)子偏心故障將會(huì)改變電機(jī)氣隙大小及磁場(chǎng)的分布，而氣隙作為電機(jī)磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換的重要通道，氣隙磁場(chǎng)的變化對(duì)電機(jī)的整體性能起著決定性作用，轉(zhuǎn)子一旦偏心，氣隙見的徑向電磁力便不再平衡，將產(chǎn)生不平衡磁拉力。不平衡磁拉力輕則導(dǎo)致電機(jī)的噪聲和振動(dòng)，重則使電機(jī)定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦甚至相碰。電機(jī)發(fā)生偏心故障將對(duì)工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大影響。因此，基于電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分析和偏心檢測(cè)方案的研究，對(duì)保障工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。5.2展望本課題還仍進(jìn)一步改進(jìn)和完善：當(dāng)偏心故障和退磁故障同時(shí)發(fā)生時(shí)，該檢測(cè)方案無法區(qū)分。2）可以將參數(shù)識(shí)別法和基于模型的故障診斷方法相結(jié)合，也可以改造電機(jī)結(jié)構(gòu)增加一套繞組充當(dāng)探測(cè)線圈來診斷故障。

致謝參考文獻(xiàn)[1]胡虔生，胡敏強(qiáng)．電機(jī)學(xué)[M].中國(guó)電力出版社,2009.[2]\t"/kns8/defaultresult/knet"張霄霆，\t"/kns8/defaultresult/knet"張炳義，\t"/kns8/defaultresult/knet"曹永鵬.動(dòng)偏心狀態(tài)下的軸向磁通永磁電機(jī)受力分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào).[3]\t"/kns8/defaultresult/knet"黃信，\t"/kns8/defaultresult/knet"方超，\t"/kns8/defaultresult/knet"譚耿銳，\t"/kns8/defaultresult/knet"杜曉斌.\t"/kns8/defaultresult/_blank"轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)動(dòng)偏心對(duì)永磁同步電機(jī)性能的研究[J].防爆電機(jī).[4]劉振清.一種基于電流補(bǔ)償?shù)挠来烹姍C(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心危害的方法[D].沈陽工業(yè)大學(xué).[5]崔洪瑋.\t"/kns8/defaultresult/_blank"動(dòng)偏心故障內(nèi)置式永磁同步電機(jī)電磁場(chǎng)分析與診斷方法研究[D].\t"/kns8/defaultresult/knet"哈爾濱工業(yè)大學(xué).[6]\t"/kns8/defaultresult/knet"李全峰，\t"/kns8/defaultresult/knet"黃厚佳，\t"/kns8/defaultresult/knet"黃蘇融，\t"/kns8/defaultresult/knet"李琳紅.表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心故障快速診斷研究[J].\t"/kns8/defaultresult/_blank"電機(jī)與控制學(xué)報(bào).[7]GhodsMehrage,FaizJawad.\t"/kns8/defaultresult/_blank"Permanentmagnetverniergeneratorunder?dynamiceccentricity?fault:diagnosisanddetection,IETElectricPowerApplications.[8]PorscheAG-Dr.Ing.H.C.F.PorscheAG.PatentIssuedforMethodAndApparatusForOperatingASynchronousMachineHavingA?Permanent-Magnet?Rotor?(USPTO10,707,793),JournalofEngineering.[9]ZhengLi,XuzeYu,ZengtaoXue,HexuSun.AnalysisofMagneticFieldandTorqueFeaturesofmproved?PermanentMagnetRotor?DeflectionTypeThree-Degree-of-Freedom?Motor,Energies[10]鮑曉華，呂強(qiáng)，感應(yīng)電機(jī)氣隙動(dòng)偏心故障研究綜述及展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(6):93.100.[11]肖曦，張猛，李永東.永磁同步電機(jī)永磁體狀況在線監(jiān)測(cè)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007,27(24):43-47.[12]A.Hartman,W.Loromer,UndrivenvibrationsinbrushlessDCmotors[J].IEEETransactionsonMagnetics,2001,37(2):789-792.[13]劉曼蘭，于海芳，崔淑梅.一種永磁直流電機(jī)故障診斷方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(10):42-48.[14]周理兵，馬志云.大學(xué)水輪發(fā)電機(jī)不同工況下不平衡磁拉力[J].力學(xué)與實(shí)踐,1996,18(4):32-34[15]武盾.基于磁場(chǎng)檢測(cè)的永磁同步電機(jī)故障特征研究[D].重慶大學(xué),2017.[16]茹扎洪·斯衣迪克江.基于多種工況下運(yùn)行的永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心故障研究[D].新疆大學(xué),2016.[17]湯蘊(yùn)瓔，梁艷萍.電機(jī)電磁場(chǎng)的分析與計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010:201-217.[18]徐廣人，唐任遠(yuǎn)，安忠良.永磁同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)分析[J].沈陽電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2001,3(2):2-4.[19]蔣山.轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心狀態(tài)下永磁同步電機(jī)電磁性能分析[D].哈爾濱理工大學(xué)，2017.[20]U.KimandD.K.Lieu,”Effectsofmagneticallyinducedvibrationforceinbrushlesspermanet-magnetmotors,”inIEEETransactionsonMagnetics,vol.41,no.6,pp.2164-2172,June2005.[21]KIMD,NOHDM,PARKYW.UnbalancedmagneticforcesduetorotoreccentricityinatoroidallywoundBLDCmotor[J].IEEETransactionsonMagnetics,2016，52(7).[22]Ramirez-Nino,J.Pascacio,A,Dectectinginter-turnshortcircuitsinrotorwindings[J].IEEEComputerApplicationsinPower,2001,14