振動(dòng)分析技術(shù)在永磁同步電機(jī)故障診斷中的應(yīng)用與研究

李紅

摘 要：基于階次分析對(duì)永磁同步電機(jī)故障診斷技術(shù)開展研究，利用振動(dòng)傳感器采集永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)及轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行階次分析和時(shí)域同步平均技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行處理，通過檢測(cè)永磁同步電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下得到的同步通道和混合通道的階次譜，診斷出電機(jī)是否出現(xiàn)故障及故障原因和位置。利用軟件的自學(xué)習(xí)功能生成被試件的RMS曲線限制、階次譜限值曲線和關(guān)鍵位置的階次切片譜限值取值，以此作為產(chǎn)品質(zhì)量合格評(píng)價(jià)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī) 階次分析 故障診斷

1 引言

永磁同步電機(jī)便于實(shí)現(xiàn)輕量小型化，已成為當(dāng)前車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選電機(jī)類型，有著良好的應(yīng)用前景。電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)極力追求高功率密度輕量小型化和寬廣域的調(diào)速運(yùn)行范圍，使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能趨于極限，電機(jī)磁場(chǎng)諧波豐富、諧波幅值高，容易引起較大的電磁振動(dòng)噪聲甚至共振。隨著電動(dòng)汽車規(guī)模商業(yè)化與動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩品質(zhì)、振動(dòng)噪聲與舒適性等性能提出了新的需求和挑戰(zhàn)，推動(dòng)了永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲分析評(píng)估與抑制技術(shù)的深入研究。

電機(jī)制造業(yè)中，電機(jī)的異響問題也是比較常見的質(zhì)量問題。因電機(jī)產(chǎn)生異響的原理十分復(fù)雜，同時(shí)缺乏相應(yīng)的儀器和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來(lái)具體檢測(cè)和分析異響出現(xiàn)的原因，這一直困擾著電機(jī)制造商。以永磁同步交流電機(jī)為例，因異響問題造成電機(jī)返工率可達(dá)5%甚至更多，造成工期延誤和資源浪費(fèi)問題已成為電機(jī)生產(chǎn)過程中的難題。

2 永磁同步電機(jī)的基本組成

永磁同步電機(jī)主要是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成部分，根據(jù)永磁體放置位置不同，將轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)分為表面式和內(nèi)置式兩種，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是永磁體固定在轉(zhuǎn)子鐵心的表面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，不直接面對(duì)空氣隙，轉(zhuǎn)子鐵心對(duì)永磁體有一定的保護(hù)作用，轉(zhuǎn)子磁路的不對(duì)稱產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，相對(duì)于表面式結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更強(qiáng)的氣隙磁場(chǎng)，有助于提高電機(jī)的過載能力和功率密度。

本文以8極48槽的表面式永磁同步電機(jī)作為研究對(duì)象，進(jìn)行了振動(dòng)分析研究。永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

3 永磁同步電機(jī)的振動(dòng)噪聲源

3.1 電磁振動(dòng)與噪聲

電磁振動(dòng)與噪聲主要是有電機(jī)內(nèi)部的電磁力波引起的，與電機(jī)電磁力波階數(shù)、幅值、頻率以及電機(jī)本身的振動(dòng)特性密切相關(guān)，相對(duì)機(jī)械和空氣動(dòng)力學(xué)噪聲而言，分析和抑制難度較大，電磁力波的幅值和頻率隨轉(zhuǎn)速改變而發(fā)生變化，使電機(jī)低速和高速時(shí)都可能存在較大的電磁振動(dòng)噪聲[1]。

3.2 轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)和噪聲

轉(zhuǎn)子不平衡就是轉(zhuǎn)子中心位置和其質(zhì)量中心位置不同，轉(zhuǎn)子在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不平衡量導(dǎo)致的離心力作用產(chǎn)生不平衡力，從而引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)的激振力[2]。在出現(xiàn)很大的不平衡量或者電機(jī)運(yùn)行到高手時(shí)，使電機(jī)不能正常工作，甚至導(dǎo)致?lián)p壞或者飛逸等，后果很嚴(yán)重。一般不平衡量分為三種，分別是靜不平衡、偶不平衡以及動(dòng)不平衡。

受電機(jī)制造公差和長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行磨損的影響，轉(zhuǎn)子外圓和內(nèi)圓之間大部分情況會(huì)出現(xiàn)偏心。偏心一般分為兩種：一種是定子和轉(zhuǎn)子的中心偏移，但轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的偏心位置不變，稱為靜偏心;另一種是將轉(zhuǎn)子偏裝在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)偏心位置改變，稱為動(dòng)偏心。

3.3 軸承的振動(dòng)和噪聲

滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承是現(xiàn)在電機(jī)主要采用的兩種軸承。其中在微型電機(jī)和大型電機(jī)一般采用滑動(dòng)軸承，中小型電機(jī)一般采用滾動(dòng)軸承，因?yàn)檫@種軸承的可靠性高，維修簡(jiǎn)單，但研究資料發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承的噪聲較滑動(dòng)軸承大，這也是電機(jī)振動(dòng)噪聲的聲源之一[3]。

旋轉(zhuǎn)的滾動(dòng)體承受徑向載荷從而引起軸承的振動(dòng)噪聲，這是軸承產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的機(jī)理?；旧陷S承旋轉(zhuǎn)頻率與滾動(dòng)體數(shù)量乘積的整數(shù)倍是軸承的振動(dòng)頻率。

4 電機(jī)振動(dòng)信號(hào)的處理及分析

4.1 階次分析基本原理

階次分析對(duì)于分析轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變得的振動(dòng)噪聲很適用，是一種適用于旋轉(zhuǎn)或往復(fù)機(jī)械的振動(dòng)噪聲分析技術(shù)。大部分設(shè)備都是由軸、軸承和齒輪等零部件組成，其中很多設(shè)備都對(duì)其運(yùn)行過程提出振動(dòng)噪聲要求。階次分析是通過旋轉(zhuǎn)部件每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度采集一次數(shù)據(jù)的等角度域采樣理論進(jìn)行采樣的，這樣可以有效避免時(shí)域采樣時(shí)部分特征點(diǎn)的丟失，階次分析中轉(zhuǎn)速是第一階，所以第n階即轉(zhuǎn)速的n倍，n次分量是轉(zhuǎn)速的振動(dòng)諧波[4]。階次分析將振動(dòng)噪聲和轉(zhuǎn)速密切聯(lián)系起來(lái)，把信號(hào)還原到各特征分量，同時(shí)把特征分量和機(jī)械部件密切聯(lián)系起來(lái)。

階次分析通過采集等時(shí)間間隔的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行重采樣，并轉(zhuǎn)換成等角度間隔的穩(wěn)定信號(hào)，這種穩(wěn)定信號(hào)是轉(zhuǎn)速變化可以滿足相同的每周期的采樣點(diǎn)數(shù)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT分析，得到信號(hào)階次譜圖，此時(shí)譜圖的橫坐標(biāo)為階次（order），有別于原來(lái)橫坐標(biāo)是頻率（Hz），可以直接在在階次譜圖上分析故障特征[5]。如圖2所示。

重采樣是將等時(shí)間的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣變成等角度間隔的角度域數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過FFT變換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[6]，如下圖所示。

4.2 階次分析在電機(jī)故障診斷中的應(yīng)用

通過采集振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行故障診斷和檢測(cè)，主要是通過振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到電機(jī)關(guān)鍵階次的數(shù)據(jù)，最后與故障庫(kù)中的故障階次數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，將具有類似故障庫(kù)中數(shù)據(jù)的電機(jī)判定為不合格，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。振動(dòng)傳感器安裝點(diǎn)需具有結(jié)構(gòu)阻尼小、剛性好的特點(diǎn)[7]，所以振動(dòng)傳感器的布置位置很重要，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)分析效果，為保證每次振動(dòng)加速度傳感器與電機(jī)對(duì)接位置的一致性，可以在試驗(yàn)臺(tái)架上設(shè)計(jì)個(gè)支座，并將振動(dòng)傳感器放置在支座上，這樣既保證了電機(jī)多次拆裝數(shù)據(jù)的一致性，又提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

永磁同步電機(jī)作為旋轉(zhuǎn)部件，選擇部件的振動(dòng)總會(huì)通過結(jié)構(gòu)傳遞到達(dá)電機(jī)表面，如電機(jī)機(jī)殼等位置。如軸承存在輕微磨損，從而導(dǎo)致異常振動(dòng)，這些振動(dòng)就會(huì)傳遞到機(jī)殼上，增大電機(jī)的振動(dòng)噪聲。因此，將傳感器安裝在永磁同步電機(jī)里前軸承對(duì)應(yīng)的機(jī)殼正下方檢測(cè)的振動(dòng)信號(hào)效果最好。

永磁同步電機(jī)的NVH下線檢查系統(tǒng)是通過CAN線提取電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，然后通過振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣和FFT變換，得到關(guān)鍵階次的頻譜。測(cè)試系統(tǒng)通過對(duì)一定數(shù)量的測(cè)試數(shù)據(jù)的收集和分析，自動(dòng)生成一條限值曲線作為判定標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)判斷是否存在異常。

本實(shí)驗(yàn)裝置研究對(duì)象是二合一的電機(jī)加控制器，電機(jī)運(yùn)行到最高轉(zhuǎn)速，對(duì)其利用階次分析進(jìn)行故障診斷。

永磁同步電機(jī)的空載測(cè)試工況如表2所示。

在電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)上采集空載工況的信息，分別是加速、恒速和降速工況，包括速度信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)，將振動(dòng)信號(hào)分別進(jìn)行混合通道和同步通道進(jìn)行階次分析，得到階次譜圖，利用軟件的自學(xué)習(xí)功能生成被試件的RMS曲線限制、階次譜限值曲線和關(guān)鍵位置的階次切片譜限值取值，以此作為產(chǎn)品質(zhì)量合格評(píng)價(jià)的參考標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)出廠有故障時(shí)，階次譜圖上的某些階次對(duì)應(yīng)的幅值會(huì)超出閾值。

圖4是電機(jī)是時(shí)域測(cè)試信號(hào)，圖5和圖6是將電機(jī)的振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)經(jīng)過階次分析得到的階次譜圖，因?yàn)殡姍C(jī)是8階48槽電機(jī)的振動(dòng)階次應(yīng)在8階、16階、24階、32階、48階、96階等階次出現(xiàn)峰值，根據(jù)圖5到圖6，階次譜圖上出現(xiàn)峰值均未超出閾值，且在上述各階次處出現(xiàn)峰值，因此，電機(jī)在空載狀態(tài)下無(wú)異常特征。

5 結(jié)論

本文主要研究了基于階次分析在電機(jī)故障診斷中的應(yīng)用，以及搭建了電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)，模擬電機(jī)在實(shí)際工作中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能準(zhǔn)確診斷電機(jī)的故障位置，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，具有較高的精度和檢測(cè)效率，提高電機(jī)出廠的合格率。本文分析永磁同步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和故障機(jī)理，為電機(jī)故障診斷奠定了基礎(chǔ)。對(duì)階次分析方法應(yīng)用到永磁同步電機(jī)不同工況下進(jìn)行故障診斷，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)故障準(zhǔn)確診斷。

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