永磁同步電機(jī)定子齒磁通分析與偏心故障在線診斷

曾 沖， 黃 嵩， 楊永明

(重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 重慶 400044)

由于永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電、軍事、軌道交通、電動(dòng)汽車等重要領(lǐng)域[1-2]. 偏心故障是永磁同步電機(jī)的一種常見故障. 這種故障通常是由不平衡負(fù)載、聯(lián)軸器不對(duì)中、裝配不當(dāng)、轉(zhuǎn)軸彎曲等因素引起的[3]. 偏心可以分為3類：靜態(tài)偏心、動(dòng)態(tài)偏心、混合偏心. 早期的偏心故障對(duì)電機(jī)的性能影響不明顯，但隨著時(shí)間的推移，故障很可能會(huì)不斷加重，發(fā)展成軸承故障、短路故障等更嚴(yán)重的故障[4-5]，最終導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失效，造成遠(yuǎn)大于電機(jī)本身價(jià)值的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡.

故障診斷是偵測(cè)偏心故障、識(shí)別故障參數(shù)的主要手段. 多年來(lái)的事故統(tǒng)計(jì)表明，故障處理不及時(shí)是電機(jī)惡性事故的主要原因[6-7]. 實(shí)時(shí)性和可靠性是及時(shí)偵測(cè)出故障、避免電機(jī)事故的重要前提，對(duì)于故障診斷尤為重要. 發(fā)現(xiàn)故障后，簡(jiǎn)單地讓電機(jī)停機(jī)檢修也會(huì)帶來(lái)不小的損失. 由于不同嚴(yán)重程度的故障對(duì)電機(jī)的影響有很大差異，因此針對(duì)不同嚴(yán)重程度的故障應(yīng)該采取不同的應(yīng)對(duì)措施. 準(zhǔn)確的故障診斷可以有效識(shí)別故障嚴(yán)重程度等參數(shù)，是根據(jù)故障具體情況合理安排運(yùn)行策略和檢修計(jì)劃的重要基礎(chǔ). 總的來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)、可靠、準(zhǔn)確的偏心故障診斷方法對(duì)于減小偏心故障造成的損失，提高電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性意義重大.

近年來(lái)，研究者們針對(duì)偏心故障的診斷進(jìn)行了大量的研究. 文獻(xiàn)[8-9]提出在停止的開關(guān)磁阻電機(jī)中注入信號(hào)，并利用繞組電流差值診斷偏心故障. 該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏心類型、方向的診斷. 文獻(xiàn)[10-11]發(fā)現(xiàn)d軸電感會(huì)隨偏心程度的增大而減小. 在此基礎(chǔ)上，他們提出了一種基于d軸電感監(jiān)測(cè)的偏心故障離線診斷方法，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏心故障程度的診斷.

為了彌補(bǔ)離線診斷方法在實(shí)時(shí)性上的不足，科研人員對(duì)偏心故障在線診斷方法進(jìn)行了研究. 偏心故障會(huì)導(dǎo)致電機(jī)氣隙不均勻，進(jìn)而在電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)中產(chǎn)生特定的邊頻諧波[12]. 文獻(xiàn)[13-16]提出利用這些邊頻諧波對(duì)偏心故障進(jìn)行診斷；同時(shí)，還利用模糊支持向量機(jī)來(lái)進(jìn)行分類[17]. 類似地，連續(xù)小波變換[18-19]、角域階次跟蹤法[20]等方法也被用于分析定子電流，并診斷偏心故障. 然而，由于部分失磁故障往往也會(huì)產(chǎn)生類似的邊頻諧波，這些方法無(wú)法有效地區(qū)分這兩種故障，難以可靠地診斷偏心故障[21]. 文獻(xiàn)[22]提出了一種基于探測(cè)線圈的偏心故障診斷方法，由于探測(cè)線圈可以反映電機(jī)磁場(chǎng)的分布情況，該方法可以輕易地區(qū)分偏心故障和部分失磁故障，從而實(shí)現(xiàn)可靠的偏心故障診斷. 然而，該方法沒有深入研究偏心故障參數(shù)和故障特征之間的內(nèi)在聯(lián)系，不能識(shí)別偏心的方向、程度等參數(shù).

針對(duì)現(xiàn)有方法難以實(shí)時(shí)診斷偏心故障參數(shù)問題，本文提出了一種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的新型偏心故障在線診斷方法. 通過(guò)建立偏心故障下定子齒磁通的數(shù)學(xué)模型，分析了偏心故障及其各種參數(shù)和定子齒磁通時(shí)間、空間分布之間的定量關(guān)系. 提出了基于定子齒磁通的偏心故障及其類型、方向、程度診斷方法. 建立了場(chǎng)路結(jié)合的聯(lián)合仿真模型，對(duì)診斷方法的性能進(jìn)行了分析. 還搭建了偏心故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)診斷方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證. 本文提出的方法是建立在文獻(xiàn)[23]所述基于探測(cè)線圈的定子齒磁通實(shí)時(shí)測(cè)量裝置的基礎(chǔ)上的，文獻(xiàn)[23]在該裝置的基礎(chǔ)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了靈敏、準(zhǔn)確的匝間短路故障診斷，本文所述方法可以有效地?cái)U(kuò)展該裝置的診斷范圍，為最終實(shí)現(xiàn)基于該裝置的永磁同步電機(jī)多故障綜合診斷奠定了重要基礎(chǔ).

1 診斷原理

如果電機(jī)的定子幾何中心(Ostator)、轉(zhuǎn)子幾何中心(Orotor)、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心(OΩ)不在同一位置，那么電機(jī)就發(fā)生了偏心故障. 偏心故障可以分為3類：1)如果Orotor和OΩ同時(shí)偏離Ostator至同一位置，那么故障為靜態(tài)偏心，此時(shí)氣隙分布不隨時(shí)間變化；2)如果Orotor偏離Ostator，而OΩ仍然和Ostator重合，那么故障為動(dòng)態(tài)偏心，此時(shí)氣隙分布的形狀不變，但整體隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)；3)如果Orotor和OΩ都偏離Ostator，但處于不同位置，那么故障為混合偏心，此時(shí)偏心的程度和方向都隨時(shí)間變化. 各類偏心故障示意圖如圖1所示. 偏心率的計(jì)算公式[22]為

(1)

式中：ε為從Ostator到Orotor的矢量，lg0為正常情況下氣隙長(zhǎng)度，Ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角速度，εs、εd分別為靜、動(dòng)態(tài)偏心對(duì)應(yīng)的ε，εs、|εd|都是常數(shù).

如果偏心類型是靜態(tài)偏心，那么εs≠0,εd=0；如果偏心類型是動(dòng)態(tài)偏心，那么εs=0,εd≠0；如果偏心類型是混合偏心，那么εs≠0,εd≠0. 混合偏心可以分解為一個(gè)靜態(tài)偏心和一個(gè)動(dòng)態(tài)偏心. 無(wú)論發(fā)生何種偏心，氣隙分布的計(jì)算公式[16]為

lge(θ)=rs-lg0|E|cos(θ-φ)-

(2)

式中：θ為氣隙對(duì)應(yīng)的空間位置角，rs為定子內(nèi)徑，rr為轉(zhuǎn)子外徑，φ為E的方向角.

對(duì)于永磁同步電機(jī)而言，通常定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑遠(yuǎn)大于氣隙長(zhǎng)度，因此式(2)可以近似為

lge(θ)≈rs-lg0|E|cos(θ-φ)-rr=

lg0·[1-|E|cos(θ-φ)].

(3)

對(duì)于定子齒磁通，其等效磁路由氣隙和鐵心組成，根據(jù)磁路的歐姆定律，其計(jì)算公式[22]為

(4)

式中：下標(biāo)i為定子齒編號(hào)，i=1,2,…,N(N為電機(jī)定子槽數(shù))，F(xiàn)i為第i號(hào)齒對(duì)應(yīng)的等效磁動(dòng)勢(shì)，Rc為第i號(hào)齒等效磁路對(duì)應(yīng)的定轉(zhuǎn)子鐵心(包括永磁體)磁阻，μ0為真空磁導(dǎo)率，Ag為截面積，lg為氣隙長(zhǎng)度，θi為第i號(hào)齒的空間位置角(以1號(hào)齒位置為參考位置，即θ1=0).

顯然，偏心故障會(huì)對(duì)定子齒磁通產(chǎn)生影響，并且這一影響和定子齒的位置(編號(hào))和偏心率的大小、方向有關(guān). 定義各齒對(duì)應(yīng)的故障特征量為

(5)

電機(jī)正常時(shí)，φie=φih，fi(i)=0；偏心時(shí)故障特征α滿足:

(6)

式中β滿足:

(7)

一方面，正常情況下的氣隙磁阻(Rg|lg=lg0)是一個(gè)常數(shù)；另一方面，Rc主要由永磁體和隔磁橋的磁阻構(gòu)成，也可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù). 因此對(duì)于一個(gè)特定的電機(jī)而言，可以認(rèn)為β是一個(gè)常數(shù).

式(6)明，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、混合偏心時(shí)，α在空間上均呈正弦分布. 靜態(tài)偏心時(shí)，α不隨時(shí)間變化，其幅值和偏心率的大小成正比，相位和偏心率方向(φs)有關(guān)；動(dòng)態(tài)偏心時(shí)，α的分布以同步速度反向旋轉(zhuǎn)，其幅值不隨時(shí)間變化且和偏心率的大小成正比；混合偏心是靜態(tài)偏心和動(dòng)態(tài)偏心的疊加，α分布也是一個(gè)靜止的正弦波和一個(gè)旋轉(zhuǎn)的正弦波的疊加，其幅值和相位都隨時(shí)間變化.

本節(jié)介紹了用于診斷偏心故障的故障特征量，其定義見式(5). 理論分析表明該故障特征量可以反映偏心故障和偏心率. 為了在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)診斷，還需要對(duì)故障特征量的算法以及偏心故障的具體判定方法進(jìn)行進(jìn)一步的分析.

2 診斷的實(shí)施方法

2.1 定子齒磁通測(cè)量方法

本節(jié)用一臺(tái)16極18槽集中繞組永磁同步電機(jī)為例，詳細(xì)介紹了偏心故障診斷的實(shí)施方法. 本文提出故障特征量是由定子齒磁通計(jì)算得到，因此定子齒磁通的實(shí)時(shí)測(cè)量是診斷的前提. 本文采用和文獻(xiàn)[23]相同的裝置測(cè)量定子齒磁通，該裝置主要由安裝在每個(gè)定子齒上的探測(cè)線圈、電壓數(shù)據(jù)采集卡以及負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的PC機(jī)組成. 數(shù)據(jù)采集卡采集得到的探測(cè)線圈感應(yīng)電勢(shì)通常都是有限時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)的離散信號(hào)，并且通常定子齒磁通中沒有直流分量，因此定子齒磁通計(jì)算公式為

(8)

式中Δt為采樣時(shí)間間隔，nT為一個(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù).

2.2 故障特征量計(jì)算方法

為了避免諧波和逆變器的干擾，只采用磁通基波分量進(jìn)行計(jì)算. 根據(jù)故障特征量的定義，被診斷電機(jī)對(duì)應(yīng)的故障特征量計(jì)算公式為

(9)

根據(jù)樣機(jī)本身具有的對(duì)稱性，正常情況下，有

(10)

如果電機(jī)發(fā)生偏心故障,那么，第(i+9)號(hào)齒磁通可以表示為

(11)

(12)

顯然，對(duì)于正常電機(jī)而言，上式仍然成立. 將式(12)代入式(9)，α可以按照下式計(jì)算:

(13)

式中所有參數(shù)都可以通過(guò)測(cè)量得到，因此該算法可以用于實(shí)際診斷.

2.3 故障及其類型的診斷方法

根據(jù)第1節(jié)的分析，α的分布情況可以反映偏心故障. 對(duì)于正常電機(jī)而言，α=0；偏心故障時(shí)，α呈空間正弦分布；部分失磁故障會(huì)影響永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，使式(10)不再成立，進(jìn)而影響α的分布，不過(guò)部分失磁故障只會(huì)對(duì)失磁永磁體附近的定子齒磁通產(chǎn)生影響，α不呈正弦分布. 綜上，可以根據(jù)α的分布形狀偵測(cè)偏心故障，并排除部分失磁故障對(duì)診斷的影響.

為了便于準(zhǔn)確地診斷，采用離散傅里葉變換對(duì)α的空間分布特征進(jìn)行量化，αk為α的第k次空間諧波. 根據(jù)偏心故障時(shí)α的空間分布特征，如果故障特征量滿足下式，那么可以判斷電機(jī)存在偏心故障.

(14)

式中：γ為除基波外其他諧波能量在αk中的占比;T1、T2為閾值，T1表示最小程度的偏心故障對(duì)α1的影響，T2表示偏心故障可能引起的γ的最大值，一般來(lái)說(shuō)，兩個(gè)閾值的取值為0

根據(jù)對(duì)式(6)的分析，靜態(tài)偏心時(shí)故障特征量靜止不動(dòng)；動(dòng)態(tài)偏心時(shí)故障特征量的形狀保持不變，但以同步速度反向旋轉(zhuǎn)；混合偏心是靜態(tài)、動(dòng)態(tài)偏心的疊加. 因此，偏心故障類型的判定方法可以總結(jié)為：1)如果α1(t)基本上不隨時(shí)間變化，那么故障是靜態(tài)偏心；2)如果α1(t)的幅值近似為一個(gè)常數(shù)，相位隨時(shí)間以同步速度減小，那么故障是動(dòng)態(tài)偏心；3)如果α1(t)的幅值隨時(shí)間變化，那么故障是混合偏心.

2.4 故障程度和方向診斷方法

偏心率的大小表示轉(zhuǎn)子幾何中心偏離定子幾何中心的程度，可以用來(lái)表征故障嚴(yán)重程度；偏心率的方向表示轉(zhuǎn)子幾何中心偏離定子中心的方向，可以用來(lái)表征偏心方向. 對(duì)于動(dòng)態(tài)偏心(及混合偏心的動(dòng)態(tài)部分)，轉(zhuǎn)子偏移方向是旋轉(zhuǎn)的，識(shí)別這一參數(shù)的意義不大，在本文中不作診斷.

式(5)表明，β是計(jì)算偏心率的一個(gè)必要參數(shù)，可以通過(guò)有限元仿真獲取，對(duì)于本文采用的樣機(jī),β=3.6. 根據(jù)式(6)，靜態(tài)偏心時(shí)故障特征量的幅值和相位可以用來(lái)計(jì)算故障程度和方向. 為了減小誤差帶來(lái)的影響，取一個(gè)周期內(nèi)的平均值用來(lái)計(jì)算故障程度FS和故障方向FO，即

(15)

(16)

動(dòng)態(tài)偏心時(shí)對(duì)應(yīng)的故障程度仍然可以按照式(15)計(jì)算，動(dòng)態(tài)偏心的方向不作診斷. 混合偏心是靜態(tài)、動(dòng)態(tài)偏心的結(jié)合. 如果故障是混合偏心，可以按照下式將其分解為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)部分，并分別按靜態(tài)、動(dòng)態(tài)偏心進(jìn)行診斷.

(17)

式中α1s為α1的靜態(tài)部分，α1r為α1的動(dòng)態(tài)部分.

本節(jié)詳細(xì)描述了實(shí)際應(yīng)用時(shí)定子齒磁通的測(cè)量、故障特征量的計(jì)算、偏心故障及其類型、程度方向診斷的具體實(shí)施方法. 除了常數(shù)β需要通過(guò)有限元仿真或?qū)嶒?yàn)計(jì)算，診斷所需的信號(hào)均由探測(cè)線圈實(shí)時(shí)測(cè)量得到.

3 仿真分析和性能評(píng)估

為了對(duì)診斷方法的性能進(jìn)行分析和評(píng)估，建立了電機(jī)及控制器的聯(lián)合仿真模型[23]. 仿真中設(shè)置了和樣機(jī)相同的探測(cè)線圈，本節(jié)利用仿真得出的感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行診斷，并對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析.

3.1 故障及其類型診斷分析

不同狀態(tài)下故障特征量α的空間分布如圖2所示，圖中靜態(tài)偏心1的偏心率為0.35∠150°，靜態(tài)偏心2的偏心率為0.4∠150°，動(dòng)態(tài)偏心的偏心率為0.4∠Ωt，混合偏心的偏心率為0.4∠180°+0.2∠Ωt.

圖2(a)展示了正常和部分失磁故障下的故障特征量α. 根據(jù)α的定義，α反映的是和正常狀態(tài)相比，各定子齒對(duì)應(yīng)磁阻的相對(duì)變化情況；電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，α應(yīng)該等于0. 從圖2(a)可以看出，電機(jī)正常時(shí)，所有定子齒對(duì)應(yīng)的α都非常小，最大值僅為0.002左右，仿真結(jié)果和理論分析相符. 部分失磁故障會(huì)影響永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而影響α. 圖中失磁永磁體所在區(qū)域(2～5號(hào)齒)對(duì)應(yīng)的α明顯增大，最大值增至0.26左右. 根據(jù)式(13)，α(i)不僅和第i號(hào)齒有關(guān)，還和與其相隔180°的定子齒有關(guān)，因此和失磁永磁體相隔180°的區(qū)域(11～14號(hào)齒)對(duì)應(yīng)的α也有所增大. 部分失磁故障對(duì)α影響是局部性的，α不呈正弦分布.

(a)正常及部分失磁

(b)偏心故障

圖2(b)展示了不同類型偏心故障下的故障特征量α，和正常情況相比，偏心時(shí)α明顯增大，并且其空間分布近似為正弦. 根據(jù)偏心率的設(shè)定值以及診斷時(shí)刻，根據(jù)式(6)，理論上α的基波幅值的相位為：0.076∠30°(靜態(tài)偏心1)，0.087∠-20°(靜態(tài)偏心2)，0.087∠-140°(動(dòng)態(tài)偏心)，0.110∠25°(混合偏心). 從圖中可以直觀看出，仿真結(jié)果和式(6)所得理論結(jié)果基本一致，說(shuō)明式(13)所示α的算法是合理的.

總的來(lái)說(shuō)，圖2所示仿真結(jié)果和理論分析相符，提出的故障特征量可以正確地反映偏心故障及其偏心率. 對(duì)比圖2(a)和圖2(b)可以看出，偏心故障時(shí)α具有明顯的特征，顯著區(qū)別于正常、部分失磁故障下的α.

根據(jù)式(14)，圖2所示各狀態(tài)是否存在偏心故障的診斷結(jié)果見表1. 從表1可以看出，所有診斷結(jié)果都和仿真設(shè)置一致，說(shuō)明提出的偏心故障存在性診斷方法可以正確偵測(cè)出偏心故障.

表1 故障存在性診斷結(jié)果

如果電機(jī)存在偏心故障，那么提出的方法將根據(jù)故障特征量基波隨時(shí)間的變化情況來(lái)判斷故障類型. 對(duì)于圖2(b)中，不同類型的偏心故障，一個(gè)機(jī)械周期內(nèi)故障特征量基波的幅值和相位如圖3所示. 所有狀態(tài)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速都是3 000 r/min，機(jī)械周期為20 ms.

(a)幅值

Fig.3 Variation of the fundament component of the fault indicator with time

從圖3可以看出，靜態(tài)偏心時(shí)，α1的幅值和相位都基本上是常數(shù)，它們的波動(dòng)范圍分別在0.002、1°以內(nèi)，這是由于靜態(tài)偏心時(shí)，氣隙分布不隨時(shí)間變化. 動(dòng)態(tài)偏心時(shí)，α1的幅值有一定的高頻波動(dòng)，波動(dòng)的范圍約為0.007以內(nèi)，頻率是機(jī)械頻率的18倍，這一波動(dòng)是由齒槽效應(yīng)引起的. 由于動(dòng)態(tài)偏心時(shí)，偏心率的大小不隨時(shí)間變化，偏心率的方向隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，因此α1的幅值總體趨勢(shì)仍然不隨時(shí)間變化，而α1的相位在一個(gè)機(jī)械周期內(nèi)均速減小了360°. 混合偏心時(shí)，α1的幅值除了有和動(dòng)態(tài)偏心類似的高頻波動(dòng)外，還隨時(shí)間以機(jī)械頻率近似正弦波動(dòng)，這是由于混合偏心時(shí)不同時(shí)刻的偏心率大小不同. 類似地，混合偏心時(shí)α1的相位也出現(xiàn)明顯的波動(dòng).

上述規(guī)律符合第2.3節(jié)中的分析，不同類型的偏心故障對(duì)應(yīng)的α1有明顯的區(qū)別，根據(jù)α1隨時(shí)間的而變化情況，可以識(shí)別偏心故障的類型.

3.2 故障程度和方向診斷分析

利用式(15)～(17)可以得到不同偏心故障對(duì)應(yīng)的FS和FO見表2，其中rS為FS的相對(duì)誤差，rO為FO的誤差. 從表中可以看出，F(xiàn)S和FO都能正確地反映偏心率的大小和方向，所有FS的相對(duì)誤差都在8%以內(nèi)，所有FO的誤差都在10°以內(nèi). 此外，所有的FO都比∠E小7°左右，這是由于電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)定子齒磁通實(shí)際通過(guò)的氣隙位置和定子齒中線位置有一定差異. 總的來(lái)說(shuō)，F(xiàn)S和FO的精度都能滿足工程應(yīng)用的需要，可以比較準(zhǔn)確地反映偏心率，提出的方法可以正確診斷出偏心故障的程度和方向.

表2 故障程度及方向診斷結(jié)果

電機(jī)的工況會(huì)顯著影響定子齒磁通，由于本文提出的方法是基于定子齒磁通的，因此有必要分析電機(jī)工況對(duì)診斷結(jié)果的影響. 電機(jī)工況可以由兩個(gè)參數(shù)表示：轉(zhuǎn)速和定子電流. 偏心故障是否存在以及偏心類型的診斷都是定性的，不易受電機(jī)工況影響，因此主要分析電機(jī)工況對(duì)故障程度和方向診斷影響. 電機(jī)轉(zhuǎn)速和定子電流變化對(duì)FS和FO的影響如圖4所示，圖中所示故障參數(shù)為：E=0.4∠180°(靜態(tài)偏心)，|E|=0.4(動(dòng)態(tài)偏心).

(a)定子電流的影響

(b)轉(zhuǎn)速的影響

從圖4(a)可以看出，F(xiàn)S基本上不受定子電流變化的影響，定子電流從0 A到280 A的過(guò)程中，F(xiàn)S的變化小于5%. 定子電流對(duì)FO有一定的影響，當(dāng)定子電流從50 A增大到280 A時(shí)，F(xiàn)O的誤差從2.3°增大到了8.8°. 這是因?yàn)槎ㄗ与娏鲿?huì)扭曲電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)，使定子齒磁通不沿定子齒中線位置垂直通過(guò)氣隙，電流越大磁場(chǎng)扭曲的程度越大，F(xiàn)O的誤差也相應(yīng)地越大. 雖然如此，F(xiàn)O的誤差始終保持在10°以內(nèi). 從圖4(b)可以看出，轉(zhuǎn)速對(duì)診斷結(jié)果沒有明顯的影響. 轉(zhuǎn)速?gòu)? 500 r/min增大到3 000 r/min的過(guò)程中，F(xiàn)S和FO的變化量都小于1%.

總的來(lái)說(shuō)，本文提出的方法可以在不同電機(jī)工況下準(zhǔn)確地診斷出偏心故障的程度和方向.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證診斷方法的有效性，建立了一個(gè)電機(jī)故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[23]，偏心故障是通過(guò)故意將電機(jī)后端蓋偏移一定的位置得到的，如圖5(a)所示. 設(shè)置偏心后電機(jī)最長(zhǎng)和最短的氣隙對(duì)比如圖5(b)、5(c)所示. 由于無(wú)法彎曲實(shí)驗(yàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，無(wú)法設(shè)置動(dòng)態(tài)偏心和混和偏心，因此僅對(duì)靜態(tài)偏心的診斷進(jìn)行驗(yàn)證. 設(shè)置好故障以后，使用銅制塞尺對(duì)各定子齒下的氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)得的氣隙長(zhǎng)度確定偏心率E.

(a)偏心設(shè)置示意圖

(b)最大氣隙 (c)最小氣隙

通過(guò)上述方法，分別設(shè)置了兩個(gè)不同的靜態(tài)偏心故障：0.35∠150°(偏心1)和0.4∠200°(偏心2)，這兩個(gè)故障的參數(shù)和圖2(b)中所示的兩個(gè)靜態(tài)偏心參數(shù)一致；此外，還設(shè)置了一組部分失磁故障以驗(yàn)證診斷方法區(qū)分部分失磁故障的能力，部分失磁故障的參數(shù)和圖2(a)一致. 實(shí)驗(yàn)和仿真所得故障特征量對(duì)比如圖6所示.

從圖6可以看出，無(wú)論是正常，失磁還是偏心狀態(tài)，故障特征量α的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果都基本一致，說(shuō)明仿真分析是合理的，本文提出的方法可以正確診斷偏心故障，并有效區(qū)別部分失磁故障.

(a)正常及部分失磁

(b)偏心故障

Fig.6 Comparison of experimental and simulation results of the fault indicator

確認(rèn)存在偏心故障以后，需要進(jìn)一步識(shí)別偏心故障的類型及偏心率的大小和方向，這需要根據(jù)α1隨時(shí)間的變化情況來(lái)判斷. 對(duì)于實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)故障，α1的幅值和相位隨時(shí)間的變化如圖7所示.

(a)幅值

(b)相位

Fig.7 Experimental results of the fundamental component of the fault indicator

從圖7可以看出，實(shí)驗(yàn)時(shí)，α1的相位基本上不隨時(shí)間變化，但幅值有一定的波動(dòng). 出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是實(shí)驗(yàn)時(shí)電機(jī)運(yùn)行沒有仿真時(shí)平穩(wěn). 不過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中α1的波動(dòng)仍遠(yuǎn)小于其本身的大小，α1大體上仍不隨時(shí)間變化. 實(shí)驗(yàn)時(shí)α1的相位略小于仿真時(shí)的結(jié)果，這是由于實(shí)驗(yàn)和仿真時(shí)定子電流差異較大，電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布不同造成的. 定子電流對(duì)診斷結(jié)果的影響已經(jīng)在3.2中討論，在此不再贅述. 總的來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果比較接近，它們都是合理的.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，α1幅值和相位大體上都不隨時(shí)間變化，由此可以診斷偏心類型為靜態(tài)偏心. 根據(jù)偏心故障程度、方向的診斷方法，可得不同工況下的診斷結(jié)果見表3.

表3 不同工況下偏心故障程度和方向的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，在不同的轉(zhuǎn)速、定子電流下，診斷結(jié)果FS、FO都和偏心率設(shè)定值非常接近.FS的相對(duì)誤差始終保持在10%以內(nèi)，F(xiàn)O的誤差保持在4°以內(nèi)，所有誤差均在合理范圍內(nèi). 說(shuō)明在不同工況下，診斷結(jié)果都可以比較準(zhǔn)確地反映偏心故障的實(shí)際程度和方向.

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，說(shuō)明仿真分析是正確的，本文提出的方法可以有效診斷偏心故障及其類型、方向、程度.

5 結(jié) 論

1)提出了一種基于定子齒磁通的永磁同步電機(jī)偏心故障在線診斷方法，可以在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中有效偵測(cè)偏心故障，并識(shí)別其類型、程度、方向，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，偏心程度診斷結(jié)果的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，偏心方向的診斷結(jié)果誤差在10°以內(nèi).

2)該方法基本不受電機(jī)工況變化的影響，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同工況下診斷結(jié)果均能保持在結(jié)論1)所述誤差范圍內(nèi).

3)提出的診斷方法可以提供全面、準(zhǔn)確的故障信息，這對(duì)于降低偏心故障帶來(lái)的損失，提高電機(jī)維護(hù)的效率，提高電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性具有重要意義. 提出的方法為最終實(shí)現(xiàn)以同一定子齒磁通實(shí)時(shí)測(cè)量裝置為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)、可靠、準(zhǔn)確的永磁同步電機(jī)多故障綜合診斷奠定了重要基礎(chǔ). 目前，也在對(duì)基于該裝置的永磁同步電機(jī)失磁故障診斷方法進(jìn)行研究. 由于齒磁通實(shí)時(shí)測(cè)量裝置成本相對(duì)較高，主要適用于高價(jià)值、大功率、高可靠性要求的電機(jī)(如：風(fēng)力發(fā)電、航空航天、軍事領(lǐng)域的電機(jī)).