基于失電殘余電壓的永磁同步電動機(jī)失磁故障診斷研究

陳 誠, 梁偉銘, 鐘 欽, 任紀(jì)良, 馬宏忠

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基于失電殘余電壓的永磁同步電動機(jī)失磁故障診斷研究

陳 誠1, 梁偉銘1, 鐘 欽2, 任紀(jì)良1, 馬宏忠2

（1. 上海汽車集團(tuán)有限公司新能源汽車事業(yè)部上海201804; 2. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京211100）

對利用失電殘壓診斷永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子失磁故障進(jìn)行研究。首先，對電機(jī)失電后定子繞組殘余電壓進(jìn)行分析，討論了定子失電殘余電壓的產(chǎn)生、性質(zhì)；其次，分析了失磁故障對失電殘余電壓的影響，提出了利用失電殘余電壓診斷失磁故障的判別依據(jù)；最后，通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了該判據(jù)的正確性與有效性，表明基于失電殘余電壓診斷永磁同步電動機(jī)失磁故障方法的可行性。

永磁同步電動機(jī)；失磁故障；失電殘余電壓

0 前言

永磁同步電動機(jī)因其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)矩高、功率密度高、工作可靠、噪聲低等性能特點(diǎn)，具有電動汽車驅(qū)動的最優(yōu)綜合指標(biāo)，非常適用于電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域[1-3]。但電動汽車驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣，運(yùn)行工況復(fù)雜，轉(zhuǎn)子永磁體受到電、磁、熱、機(jī)械等應(yīng)力會產(chǎn)生退磁[4]，一旦永磁體發(fā)生不可逆退磁故障，會導(dǎo)致永磁電機(jī)性能指標(biāo)下降、發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩性能變差，嚴(yán)重情況下電機(jī)可能失控和報(bào)廢[5-6]。同時，由于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子上嵌入永磁體，永磁體發(fā)生失磁故障是永磁電機(jī)特有的故障類型。永磁同步電動機(jī)在電動汽車及風(fēng)電場的廣泛應(yīng)用，使得失磁問題更加引人關(guān)注。

目前國內(nèi)專門針對永磁同步電動機(jī)故障診斷的研究還相對較少，主要的研究也是在國外一些發(fā)達(dá)國家。永磁電機(jī)發(fā)生失磁故障，會在定子電流中產(chǎn)生特定的諧波分量，其頻率為[7]：

形成了以定子電流信號為分析對象的不同的診斷方法，例如希爾伯特黃HHT方法[8]、連續(xù)小波變換CWT方法[9]、離散小波變換方法DWT[9]、快速傅立葉變換FFT方法[10]等，以監(jiān)測和分析定子電流諧波分量診斷轉(zhuǎn)子失磁故障。不容置疑，根據(jù)這種特征量進(jìn)行失磁故障診斷有很多優(yōu)點(diǎn)，如信號采集簡單、方便等[11]，但是利用定子電流進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子失磁故障診斷，不論是穩(wěn)態(tài)分析還是暫態(tài)分析，仍有一定的局限性。

（1）轉(zhuǎn)子其他類型故障及變頻器供電的影響

轉(zhuǎn)子的其他類型故障也會產(chǎn)生與(1)式相同的諧波，例如動態(tài)偏心，導(dǎo)致區(qū)分失磁故障與其他類型故障困難[12]。另外，以變頻器作為驅(qū)動電源的永磁電機(jī)應(yīng)用越來越多，而變頻器的輸出電壓非正弦，含有大量的時間諧波，導(dǎo)致電流中包含大量的諧波成分[13-14]，這給利用電流諧波診斷失磁故障帶來難題。

（2）大功率電機(jī)在輕微失磁故障時診斷仍有困難

當(dāng)轉(zhuǎn)子有輕微失磁故障時，定子電流中故障頻率分量相對于基波頻率分量的比值很小，若電機(jī)運(yùn)行于輕載時其比值更小，這給信號處理帶來困難，使得診斷靈敏度下降。

（3）負(fù)載波動影響

電動機(jī)所拖動的負(fù)載有時是不平穩(wěn)的，負(fù)載的擺動使定子電流發(fā)生畸變，反映在頻譜圖上常表現(xiàn)為基波頻率的各種調(diào)制成分，這些調(diào)制成分的譜峰大多分布于主頻兩側(cè)。這樣就導(dǎo)致在頻譜圖上難以直觀地看出有無故障頻率分量。

本文以電動汽車驅(qū)動電機(jī)為研究對象，對其失電后定子繞組的殘余電壓進(jìn)行分析，并將其用于診斷永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子失磁故障。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)在于：對電機(jī)進(jìn)行故障診斷不受變頻器供電的影響(變頻器的輸出電壓含有大量的時間諧波)；它是從電機(jī)本身進(jìn)行測試，不受負(fù)載的影響(如負(fù)載大小、負(fù)載性質(zhì)、波動情況等)[15]。

1 永磁同步電動機(jī)失電殘余電壓的產(chǎn)生

2 失電殘余電壓的分析

當(dāng)電機(jī)無故障時，氣隙磁場接近正旋分布，奇次諧波分量相對很小，所以在定子繞組中感應(yīng)的電壓中引起的諧波分量相對于基波來說較小。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生故障時，如失磁故障、偏心故障等，氣隙磁場發(fā)生畸變，定子繞組的感應(yīng)電壓中引起相應(yīng)諧波分量。

3 失磁故障對失電殘余電壓的影響

在永磁同步電動機(jī)中，忽略齒槽影響，空載氣隙磁密波形可以近似為矩形波，其諧波幅值為極弧系數(shù)的函數(shù)，表達(dá)式為：

圖1 氣隙磁密諧波幅值與極弧系數(shù)的關(guān)系

4 診斷失磁故障的判別依據(jù)

正常的永磁同步電動機(jī)失電后，在不計(jì)鐵耗和附加損耗的情況下，轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動方程為：

同理可得，當(dāng)電機(jī)發(fā)生失磁故障后失電殘壓的基波為：

（7）式也可寫為：

5 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

本文對一臺8極42kW的電動汽車驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行實(shí)測，先測定正常電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下失電后的端電壓，后對該電機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)置失磁故障(從對稱位置的四個永磁體槽內(nèi)各取出高度10%的永磁體)，具體見圖2。圖3為電機(jī)正常和失磁故障失電前后定子端電壓及其局部放大波形，失電時刻電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為1744r/min、1687r/min。其幅值是經(jīng)霍爾電壓傳感器變換后的毫伏值(1mV對應(yīng)實(shí)際的0.08V)。該電機(jī)由變頻器供電，圖中失電前端電壓含有大量的載波。電機(jī)失電后，逆變電路的開關(guān)器件斷開，端電壓不再含有載波。本實(shí)驗(yàn)負(fù)載小，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩是隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而減小的，因而端電壓衰減慢，如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)子及失磁故障設(shè)置部位

（a） 正常情況

（b） 失磁故障情況

圖3 電機(jī)失電前后定子端電壓及其局部放大波形(實(shí)測)

對比圖3中端電壓的局部放大波形，故障電機(jī)的波形較正常電機(jī)發(fā)生了畸變，說明失磁故障引起了失電殘壓某些諧波分量的出現(xiàn)或變化。

表1 實(shí)驗(yàn)電機(jī)的失磁故障因子K

6 結(jié)論

本文在分析了電動汽車永磁同步電動機(jī)失電殘壓的產(chǎn)生、性質(zhì)及失磁故障對其影響的基礎(chǔ)上，提出了利用失電殘壓診斷永磁同步電動機(jī)失磁故障的判別依據(jù)，并通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了該判據(jù)的正確性與有效性。指出：

（1）利用失電殘壓能克服利用定子電流進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子失磁故障診斷的局限性，如不受變頻器供電和負(fù)載的影響。

（2）為進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷，實(shí)際應(yīng)用可預(yù)先按理論計(jì)算電機(jī)無故障時失電殘壓與轉(zhuǎn)速的比值，然后結(jié)合實(shí)測得到的比值對其進(jìn)行修正，做為失磁故障診斷的閥值。低于閥值表明已發(fā)生失磁故障，小于閥值越多表明整體失磁程度越嚴(yán)重。

（3）本文指出失磁故障雖能引起失電殘壓諧波分量的變化，但其變化受電機(jī)定子繞組的分布影響較大，是否能作為故障特征量有待進(jìn)一步研究。

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Diagnosing Demagnetization Fault for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Residual Voltages after AC Dump

CHEN Cheng1, LIANG Weiming1, ZHONG Qin2, Ren Jiliang1, MA Hongzhong2

(1. New Energy Automotive Business Department of SAIC Motor, Shanghai 201804, China;2. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

This paper focus on diagnosing demagnetization fault for permanent magnet synchronous machine(PMSM) by residual voltage after AC dump. First, through analyzing the reason of residual voltage, its properties were discussed. Then, the effect of demagnetization fault on residual voltage was analyzed, and the discrimination of diagnosing demagnetization fault by residual voltage was presented. Finally, the experiment verifies the correction and creditability of the discrimination, and residual voltage can be used in demagnetization failure of PMSM.

permanent magnet synchronous motor; demagnetization failure; residual voltage after AC dump

TM351

A

1000-3983(2014)02-0022-04

上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金會基金（1106）

陳誠（1974-）, 2006年7月畢業(yè)于江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，獲研究生學(xué)位，從事電動汽車電安全技術(shù)方面的研究工作，工程師。

審稿人：許善椿