利用電磁特性分析對永磁同步電機進行故障診斷的新方法

1、文獻翻譯 題 目 利用電磁特性分析對永磁同步電機 進行故障診斷的新方法 學(xué)生姓名 黃建波 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化10級1班 學(xué) 號 541001020215 院 （系） 電氣信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 張志艷 完成時間 2014年 05月23日 利用電磁特性分析對永磁同步電機進行故障診斷的新方法姚達，IEEE學(xué)生會員，石曉東，IEEE會員，馬赫施·奎納姆瑟，IEEE會員摘要本文提出了一種通過直接測量傳感線圈的磁通量對永磁同步電機進行健康監(jiān)測和多故障檢測的新方法。不同于其他基于頻譜的故障檢測方案，這種方法僅需要測量用于故障檢測的基頻分量。因此，本方案的性能不受速度波動或者電源諧波的影

2、響。此外，可以檢測到匝間短路的位置和靜態(tài)偏心的方向，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)力渦輪機和混合動力汽車技術(shù)，軍事上的應(yīng)用等故障的早期檢測非常重要的場合。使用有限元分析進行二維模擬已經(jīng)驗證了不同條件下提出的方法。實驗簡介對定子匝間短路故障、失磁故障、靜態(tài)偏心故障進行了討論，對提出的方案進行實驗，驗證其有效性。關(guān)鍵詞：故障檢測，有限元分析、永磁同步電機、傳感線圈。1.簡介過去十年，永磁同步電機(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)力渦輪機和電動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，一個意想不到的機器故障

3、可能會導(dǎo)致非常高的維修或更換費用，甚至災(zāi)難性的系統(tǒng)故障。因此，這種場合需要堅固可靠的健康監(jiān)測和故障檢測方法，可以為預(yù)防性維護提供依據(jù)，延長使用壽命，減少機器故障。離線機故障檢測與診斷的方法不能頻繁地測試，經(jīng)濟上也不允許，研究人員已經(jīng)提出了許多在線檢測的方法，這類方法維修費用少、診斷結(jié)果更可靠。一個具有成本效益的方式是基于定子電流頻譜，通常被稱為電動機電流特征分析（MCSA）1-6。電機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)不包含機器操作和快速變化的速度的時間信息，短時傅里葉變換可以權(quán)衡時間和頻率的分辨率。然而，一個固定長度的窗口可能導(dǎo)致不同的電流頻率7不一致，

4、改變電機的速度使它難以確定諧波次數(shù)。為了避免時間分辨率和頻率分辨率之間的矛盾，羅賽羅等人7利用連續(xù)小波變換(CWT)和離散小波變換(DWT)在一臺機器非平穩(wěn)狀態(tài)下運行的退磁故障檢測。埃斯皮諾薩等人6提出了相同的概念，采用希爾伯特-黃變換檢測退磁。類似的方法也用于永磁同步電機8動態(tài)偏心故障檢測。類似于目前的頻譜，一些故障也隱藏在噪聲、振動、轉(zhuǎn)矩譜9-13。然而，由于加速度計、扭力計成本高，他們通常應(yīng)用在相對較大的機器。這些頻率分析算法比較費時，而且很難確定特定的諧波源。對于無刷永磁電機，由于部分退磁產(chǎn)生的諧波頻率和動態(tài)偏心的標(biāo)志一樣，它們不能被區(qū)分開。在現(xiàn)實中，除了部分退磁，其他的不對稱問題，如

5、負載不平衡、失調(diào)，或振動載荷也可以產(chǎn)生15相同的諧波。另一種故障診斷方法是基于電機模型。負序和零序電流16，17，負序和零序阻抗18，或負序和零序電壓19，20作為故障檢測指標(biāo)。這些指標(biāo)對于機器不對稱故障很敏感，故障產(chǎn)生的不對稱信號可以被檢測到。然而，任何不對稱引起的機械結(jié)構(gòu)或電源的不平衡可能會影響故障檢測的準(zhǔn)確性?；陔姍C模型，估計的物理參數(shù)，也可用于在線故障診斷，如定子電阻，電感，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，摩擦，和反電動勢常數(shù)2124。在這種方法中，通常的電壓、電流，和速度進行直接測量，其他參數(shù)是推算出來的，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化或者不對稱的時候就能夠及時發(fā)現(xiàn)故障。然而，這需要機器在正常運行狀態(tài)下的準(zhǔn)確參數(shù)

6、。此外，要注意的是，這些方法不討論以前提供的故障定位。本文提出了一種利用測試線圈進行多故障檢測的方法。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去。事實上，對于電機故障檢測，搜索線圈并不是一個新的概念。筆者等人2526已經(jīng)開發(fā)出一種方法，使用搜索線圈測量感應(yīng)機的軸向漏磁信號進行感應(yīng)電機中的一些常見故障的檢測，如轉(zhuǎn)子斷條，繞線轉(zhuǎn)子短路，匝間短路，偏心運轉(zhuǎn)等。然而，他們也承認，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繞線轉(zhuǎn)子的同步電機和雙饋感應(yīng)電機的定子匝間故障，這種方法基于測量搜索線圈電壓的

7、功率譜密度。在這種方法中，用搜索線圈測量定子中的磁通，只有測量電壓的基頻分量用于故障檢測。所以他不受高頻諧波的限制，這使得它適合于逆變/整流回饋電動機或發(fā)電機，如風(fēng)力發(fā)電機和汽車系統(tǒng)。此外，該方法不需要機器參數(shù)的知識。而且，可以檢測定子繞組短路準(zhǔn)確位置和靜態(tài)偏心的方向。為了評估所提出的方案的有效性，已經(jīng)對一個永磁同步電機進行了仿真和實驗。偏心，電樞繞組匝間短路，和不同的負載條件下退磁已通過有限元分析（EFA）模擬并進行了實驗。2.搜索線圈的實現(xiàn)原理圖2 測試機的搜索線圈及其有限元模型圖1 測試機及其有限元模型圖1給出了本文的有限元模型的試驗機，是通過一種商業(yè)的有限元分析軟件Infolytica

8、公司的MagNet建立的。這個三相Y型連接的電機有集中的電樞繞組和一個正弦反電動勢。為了在測試階段允許最大程度的自由，電機的定子齒上繞了12個搜索線圈，用來進行多故障檢測與健康監(jiān)測。每個搜索線圈測量四次，以減少測量的方差，獲得更好的電壓測量精度。它們的實現(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，以進行進一步的分析。實驗實現(xiàn)的細節(jié)描述在第六節(jié)。3.永磁體電機的故障類型3.1偏心故障電機的偏心故障會導(dǎo)致定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻。如果情況嚴重，不平衡磁拉力(UMP)可能會導(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，動態(tài)偏心，混合偏心。靜態(tài)偏心的情況下，旋轉(zhuǎn)軸有一個位移，通常是由

9、于橢圓形定子或者軸承、定子或轉(zhuǎn)子安裝錯位造成的。在這種情況下，氣隙的長度在空間上是固定的。定子偏心率的表達式是30(1)式中是定子與轉(zhuǎn)子軸的徑向距離，是平均氣隙長度。偏心率的大小有如下限制(2)動態(tài)偏心故障時，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，或者安裝錯位引起的。同樣，靜態(tài)偏心率定義為(3)式中是轉(zhuǎn)子軸與定子軸之間的距離，是轉(zhuǎn)子的機械角速度?；旌掀氖庆o態(tài)偏心與動態(tài)偏心相結(jié)合，定義式是(4)(5)式中是混合偏心角，相對于靜態(tài)偏心方向。這是一個周期變化的變量。這樣，氣隙長度可以通過計算得出：(6)式中是氣隙的角

10、位置，從到，和分別表示定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑。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，永磁同步電機氣隙長度為0.635mm(0.025 in),為26.924mm(1.06 in),為26.289mm(1.035 in),此時。圖3 靜態(tài)氣隙長度對于動態(tài)偏心的氣隙長度，它具有完全相同的曲線，但它以和轉(zhuǎn)子的速度相同的速度相同的速度朝一個方向運動。對于混合偏心，氣隙長度僅僅是兩者減去平均氣隙長度再求和。磁通量等于磁動勢除以磁阻。在電機的磁路中，磁阻是氣隙長度與背鐵等效長度的函數(shù)，其關(guān)系為(7)式中是穿過搜索線圈的磁通量，表示永磁體產(chǎn)生的磁動勢，表示永磁體在其工作點的磁場，表示永磁體的厚

11、度，和表示氣隙和背鐵的磁阻，表示空氣的導(dǎo)磁率，表示背鐵的相對導(dǎo)磁率。如果只存在靜態(tài)偏心，只是位置的函數(shù)，此時也是與時間無關(guān)的。如果存在動態(tài)偏心，是時間和位置的函數(shù)。3.2電樞繞組短路圖5 三相磁鏈?zhǔn)噶繄D圖4 轉(zhuǎn)子齒及背鐵磁通路徑電樞繞組短路通常是由于絕緣失效引起的。他們通常分為相間短路，單相接地短路或匝間短路 16 。相間短路，保險絲可能燒毀，機器可能停機。相對地短路，如果機器繼續(xù)運行，會出現(xiàn)一個很大的轉(zhuǎn)矩脈動。匝間短路，故障繞組的有效匝要比其他健康組的有效匝少，所以可以通過機器的電樞電流、電樞磁動勢找到不對稱信號。這個特點可以作為本文的一個指標(biāo)。圖4顯示了只考慮電樞磁動勢時磁通的耦合路徑。由

12、KCL，可以得到(8)式中表示通過齒A的磁鏈，表示齒A周圍的一個線圈產(chǎn)生的磁鏈，表示齒B周圍的一個線圈產(chǎn)生的磁鏈，表示齒C周圍的一個線圈產(chǎn)生的磁鏈。向量圖如圖5所示。結(jié)果表明，當(dāng)A相發(fā)生單相接地短路，仍然有1/3的磁鏈?zhǔn)Ｓ?，這是相鄰的電樞繞組產(chǎn)生的。3.3退磁對于永磁體電機，現(xiàn)場故障通常和永磁體失效有關(guān)，最常見的問題就是退磁。退磁故障可能均勻地發(fā)生所有磁極或者某些特定的區(qū)域或磁極?？赡軐?dǎo)致永磁同步電機中永磁體退磁的條件包括：（1） 高溫或者冷卻系統(tǒng)故障（2） 磁鐵老化（3） 磁鐵銹蝕（4） 電樞電流不當(dāng)常用的燒結(jié)稀土永磁材料比如釹鐵硼和釤鈷等，在他們BH曲線的第二象限的直線的退磁曲線是一條直線

13、。在居里溫度一下，溫度對剩磁的影響是近似線性的，它們的關(guān)系是(9)圖6 永磁同步電機一相的矢量圖式中表示永磁體的工作溫度，表示最佳溫度，表示在溫度為時的剩磁，表示可逆溫度系數(shù)，是一個負數(shù)。4.工作原理每個搜索線圈的磁通量都是永磁體和電樞線圈產(chǎn)生的磁通量的總和，基于在沒有發(fā)生飽和的假設(shè)。為了分析磁通量不平衡的原因，需要對這兩個元件解耦。永磁同步電機作為發(fā)電機運行的向量圖如圖6所示，其中下標(biāo)f、a和fa分別表示磁場、電樞以及電樞與磁場的組合?？蛰d時，當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，電壓是每相搜索線圈的勵磁磁動勢產(chǎn)生的。磁動勢的分布可以用空間矢量描述，而反電動勢是和時間相關(guān)的。勵磁磁動勢與電樞磁動勢疊加產(chǎn)生

14、疊加磁動勢稱為電樞反應(yīng)，這個磁動勢產(chǎn)生的磁通量，會使搜索線圈有一個反電動勢負載，即圖6中的。在實驗中使用的永磁同步電機表面貼裝了釹鐵硼永磁體，從而交直軸電感相等。因此，相電流與交軸方向相同。而內(nèi)部永磁同步電機的相電流有一個直軸分量。在任一情況下，搜索線圈測得的電壓可以分解為 (10)由于永磁同步電機受逆變器控制，相電流不是理想的正弦波形。為了得到各次諧波的幅值，對(10)的兩邊進行傅里葉級數(shù)變換得到：(11)式中表示諧波階次，表示基波頻率，表示各次諧波的幅值。如果只考慮基波，也就是電機的同步頻率，可以得到(12)從公式(12)可以看出，從搜索線圈測得的電壓基波分量可以被分解為兩部分：勵磁分量和

15、電樞分量。為了得到基波的幅值，可以對(11)應(yīng)用時不變?yōu)V(LTI)波器。雖然在濾波時會產(chǎn)生振幅衰減和相移，但是由于勵磁分量與電樞分量頻率相同，所以兩者衰減率和移相角相同。5. 仿真結(jié)果圖8 靜態(tài)偏心勵磁分量圖9 動態(tài)偏心勵磁分量圖7 (a)電樞磁動勢，(b)勵磁磁動勢Infolytica公司的有限元分析軟件MagNet仿真了安裝有搜索線圈的永磁同步電機的不同故障條件。本節(jié)介紹了二維有限元模擬的結(jié)果。測量12個搜索線圈不同負載條件下的電壓，分解得到2個極圖，如圖7所示。圖7表示了(a)電樞反應(yīng)電壓和(b)感應(yīng)磁場電壓。不同的顏色代表不同的負載狀態(tài)。每條曲線都有12個星號，代表12個定子磁極，每一

16、對磁極之間有30度的機械角度。極圖中，星號與極圖中心的距離代表測量線圈的電壓。圖7的兩個極圖表明，在不同負載條件下，電樞電壓分量與負荷成正比，而勵磁分量電壓保持相同，除了直軸電樞有感應(yīng)磁動勢的干擾。圖8表示電機在0.127 mm(0.005 in,20%)和0.254mm(0.01 in,40%)的靜態(tài)偏心條件下，測量電壓的勵磁分量與正常情況下的對比。偏心的方向是正上方，在向量圖中對應(yīng)于90度。這種輕微的變化，在圖中是90都，是很容易觀察到的。圖9表示30%動態(tài)偏心的情況。可以看出有45度的位置變化，是采集數(shù)據(jù)時轉(zhuǎn)子發(fā)生變化的方向。動態(tài)偏心時，變化的方向隨著同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，圖9表示在任意瞬間的分

17、布。 圖11 對地短路電樞分量圖10 匝間短路電樞分量圖10表示三種0度匝間短路的情況，分別為齒周圍1匝、2匝和3匝電樞線圈發(fā)生匝間短路。這個位置安匝發(fā)生變化會導(dǎo)致電樞磁動勢失真?？梢钥闯觯煌瑪?shù)量的匝間短路是可以被區(qū)分開來的。圖11表示三相中有一相接地的情況。就像在第四節(jié)解釋的那樣，A相的齒有1/3的磁鏈幅值，分別在、和的位置，由相鄰相產(chǎn)生，B相和C相的齒有5/6的磁鏈幅值。 圖12 單極失磁故障勵磁電流圖13 均勻失磁勵磁分量圖12表示發(fā)生部分失磁的電機測量電壓的勵磁分量，分別為1/4極失磁20%和50%。由于轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這個圖像中的曲線是時變的，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)并保持形狀不變。圖1

18、3表示一臺均勻失磁的電機在任意時刻測量電壓的勵磁分量，所有磁極分別發(fā)生20%和50%的失磁。因為磁極處于均勻失磁狀態(tài)，盡管圖中紅色的曲線以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，但其形狀是不變的。因此，通過檢測線圈的測量電壓的勵磁分量可以得到永磁體性能的惡化情況。6. 實驗驗證 圖15搜索線圈的測量信號圖14 實驗設(shè)備為了驗證所提出的方法，進行了試驗論證，如圖14所示，TI公司的DSP芯片TMS320C2812用來執(zhí)行矢量控制必要的信號處理任務(wù)，用8kHZ的PWM信號驅(qū)動。LEM電流變換器LTS25-NP用來檢測電機各相的電流。1000線的增量式編碼器進行位置測量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用15kHZ的采樣頻率采集搜索線圈的電壓。

19、傳統(tǒng)的SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)矢量控制技術(shù)實現(xiàn)測試。圖15是一個搜索線圈的測量電壓的樣本。 圖17 A相4極搜索線圈的電壓圖16 線圈重繞使A相短路實驗設(shè)置了一個匝間短路故障，電機重繞以便在兩個繞組模式之間切換。一個無故障，另一個A相的定子齒A3發(fā)生四匝短路故障。圖16是對定子進行重繞的過程。圖17是A相的四個定子極的搜索線圈的電壓。其中交軸電流為0.5A(矢量控制)。重繞的電機定子極A3發(fā)生4匝短路(每相一共18匝)?？梢钥闯觯珹3脈沖(紅色曲線)的幅度較低，這表明互感也比較小，說明A3繞組發(fā)生短路。圖18是搜索線圈電壓分解后的電樞分量。12條線代表一周12個定子極?？梢钥闯?，線圈A3

20、的電樞分量小于其他組，這是比其他組少了4匝有效匝造成的。將圖18轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)得到圖19，這張圖更明確地說明了電機在發(fā)生匝間短路故障的情況。實驗也驗證了電機的靜態(tài)偏心故障的情況。為了創(chuàng)建一顆可預(yù)測的偏心，兩個端板的內(nèi)槽接地，加進去兩塊電工膠帶。圖20展現(xiàn)這種方案。 圖19 匝間短路搜索線圈電壓電樞分量圖18 匝間短路搜索線圈電壓電樞分量 圖21 A相4極搜索線圈的電壓圖20 一種偏心的情況 圖23 靜態(tài)偏心搜索線圈勵磁分量圖22 靜態(tài)偏心搜索線圈勵磁分量電機的氣隙長度是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，A相4個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相每個搜索線圈的測量電壓的勵磁分量如圖22所示。圖像表明，定子齒A4的勵磁分量最高，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個搜索線圈的勵磁分量放在一起，在一個極圖中可以清楚地看出偏心的方向是電機的正下方，如圖23所示。為了進行局部失磁實驗，拆除了一部分轉(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%。