徐向陽(yáng),樊林放
(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院,重慶 400074)
為解決城市交通逐漸增長(zhǎng)的供需矛盾問(wèn)題,具有大運(yùn)力和高效率的城市軌道交通已經(jīng)成為交通運(yùn)輸發(fā)展的重要方向[1]。牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)是城軌列車核心,其中牽引電機(jī)是牽引系統(tǒng)的動(dòng)力源,負(fù)責(zé)動(dòng)能輸出,實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換。我國(guó)軌道交通牽引系統(tǒng)所用電機(jī)大部分為交流感應(yīng)電機(jī),相對(duì)于直流電機(jī),交流感應(yīng)電機(jī)具有成本低、魯棒性高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institude of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)統(tǒng)計(jì),感應(yīng)電機(jī)故障主要包括軸承故障(41%)、定子故障(37%)、轉(zhuǎn)子故障(10%)、偏心故障及其他故障(12%)[2]。這些電機(jī)故障會(huì)影響齒輪系統(tǒng)運(yùn)行,導(dǎo)致整車穩(wěn)定性、平順性降低。因此,城軌列車機(jī)電耦合牽引系統(tǒng)故障診斷一直是研究熱點(diǎn)。
為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。王金海[1]建立了包含齒輪系統(tǒng)的城軌列車動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)分析變位直齒輪齒根裂紋、剝落和齒面磨損故障模式下的動(dòng)態(tài)嚙合剛度,研究故障特征變化趨勢(shì)。唐敬[2]基于改進(jìn)多回路法,建立了定轉(zhuǎn)子故障下軌道列車牽引電機(jī)動(dòng)態(tài)模型,通過(guò)分析所產(chǎn)生的故障特征成分,研究了牽引感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)故障檢測(cè)問(wèn)題。HAN Qinkai等[3]基于MEC方法和行星齒輪動(dòng)力學(xué),建立了電機(jī)-行星齒輪箱耦合系統(tǒng)的扭振模型,通過(guò)分析太陽(yáng)齒輪、行星齒輪、齒圈等出現(xiàn)切齒缺陷時(shí)定子電流譜中的故障特征分量,證實(shí)了故障相關(guān)頻率基本由嚙合頻率、齒輪故障傳遞頻率、其諧波和電源頻率之間組合來(lái)表示。BAI Wenyu等[4]建立了包括動(dòng)態(tài)電機(jī)模型和行星齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的機(jī)電耦合模型,研究了具有齒根裂紋和轉(zhuǎn)子斷條故障的電機(jī)齒輪系統(tǒng)不同激勵(lì)下動(dòng)態(tài)特性,研究表明:電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條會(huì)導(dǎo)致所選統(tǒng)計(jì)指標(biāo)無(wú)法檢測(cè)出電機(jī)故障耦合時(shí)的早期齒形故障。G.Y.SIZOV等[5]采用磁等效電路方法對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模,分析了定子匝間短路和轉(zhuǎn)子斷條故障,并與傳統(tǒng)建模方法相比,結(jié)果表明:MEC建模方法具有相對(duì)較高的執(zhí)行速度和精度。
目前大多數(shù)研究是用矢量控制動(dòng)態(tài)電機(jī)模型或飽和電機(jī)有限元模型等方法來(lái)進(jìn)行分析,這些方法忽略了電磁作用,并將這兩個(gè)系統(tǒng)分開(kāi)研究,這樣就無(wú)法準(zhǔn)確地模擬真實(shí)情況,也體現(xiàn)不出系統(tǒng)的耦合效應(yīng)。此外多數(shù)學(xué)者是通過(guò)電流特征進(jìn)行故障診斷,而事實(shí)上傳感器接收到的電流信號(hào)十分微弱,不能準(zhǔn)確進(jìn)行故障診斷。針對(duì)這些問(wèn)題,筆者以城軌列車的電機(jī)-齒輪耦合系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用集中參數(shù)法和等效磁路網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合的方法建立了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電耦合模型;在此基礎(chǔ)上,基于電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)定子匝間繞組短路故障及鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂故障進(jìn)行診斷研究;并與矢量控制動(dòng)態(tài)電機(jī)模型進(jìn)行對(duì)比分析。
圖1為城軌列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意,主要包括鼠籠式異步電機(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、車輪等。
圖1 城軌列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of traction drive system of urban rail train
等效磁路網(wǎng)絡(luò)模型(PNM)常被用來(lái)研究電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能。與矢量控制電機(jī)分析方法和飽和電機(jī)有限元方法相比,它具有很高的計(jì)算速度和相當(dāng)好的精度。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)PNM基本思想為:將定轉(zhuǎn)子均勻規(guī)則的部分劃分為若干個(gè)磁通管,每根管子之間由節(jié)點(diǎn)連接,并計(jì)算出其等效磁導(dǎo)率,形成PNM,如圖2。PNM建立后,可通過(guò)電磁學(xué)基本定律來(lái)求解[6]。圖2中,磁力管任意x處的橫截面都是等磁位面,且兩個(gè)端面M1和M2也是等磁位面,端面M1標(biāo)量磁位m1與端面M2標(biāo)量磁位m2的差值是磁力管磁壓降ΔM[6]。
圖2 磁場(chǎng)中的磁力管Fig. 2 Magnetic tube in magnetic field
基于以上思想,將定子軛部和轉(zhuǎn)子軛部平均分為k段和n段,分別用ma, i和md, j表示定子軛部第i段和第i+1段及轉(zhuǎn)子軛部第j段和第j+1段之間連接點(diǎn)標(biāo)量磁位;同樣,用mb, i和mc, j表示定子第i號(hào)齒齒面和轉(zhuǎn)子第j號(hào)齒齒面標(biāo)量磁位。
基于文獻(xiàn)[6]中等效磁路網(wǎng)絡(luò)模型,筆者建立起城軌列車鼠籠異步電機(jī)的PNM,如圖3。圖3中:φse, i,φre, j,φsc, i,φrc, j分別為定子第i段軛部、轉(zhuǎn)子第j段軛部、定子第i齒、轉(zhuǎn)子第j齒的磁通;Gse, i,Gre, j,Rsc, i,Rrc, j分別為定子第i段軛部、轉(zhuǎn)子第j段軛部的磁導(dǎo)及定子第i齒、轉(zhuǎn)子第j齒的磁阻;Gi, j為定子i號(hào)齒與轉(zhuǎn)子j號(hào)齒之間的磁導(dǎo),稱為氣隙磁導(dǎo);Gsσ,Grσ, j分別為定子和轉(zhuǎn)子第j槽的槽漏磁導(dǎo);fs, i,fr, j分別為定子第i號(hào)齒、轉(zhuǎn)子第j號(hào)齒上的激磁磁動(dòng)勢(shì)[6]。
圖3 鼠籠式異步電機(jī)的等效磁路網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 3 Equivalent magnetic circuit network model ofsquirrel cage induction motor
在建立的PNM基礎(chǔ)上,基于基爾霍夫定理,可分別得到定子、轉(zhuǎn)子軛部和齒面的磁位方程,如式(1):
(1)
筆者設(shè)定電機(jī)槽型為矩形槽,考慮非線性因素磁飽和影響后,槽漏磁導(dǎo)、軛部磁導(dǎo)和齒部磁阻的計(jì)算如式(2)~(4):
(2)
(3)
(4)
式中:μ0為真空磁導(dǎo)率;leff為電機(jī)計(jì)算長(zhǎng)度;h為矩形槽高度;w為矩形槽寬度;r1、r2分別為電機(jī)定子(或轉(zhuǎn)子)的內(nèi)、外徑;f為磁壓降;h為定子(或轉(zhuǎn)子)齒部高度;φ為磁通;B(r)為磁通密度;H(y)為磁場(chǎng)強(qiáng)度,均可通過(guò)磁化曲線表查得[6]。
電機(jī)能量轉(zhuǎn)換在氣隙之間進(jìn)行,氣隙磁導(dǎo)計(jì)算精度將直接影響PNM模型求解精度。故在計(jì)算氣隙磁導(dǎo)時(shí)應(yīng)考慮轉(zhuǎn)子槽為斜槽影響,其計(jì)算如式(5)。
(5)
式中:θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度,如圖4;Gmax=μ0Amax/δ0為氣隙磁導(dǎo)的最大值,其中Amax為定子和轉(zhuǎn)子齒之間最大重疊面積,δ0=(sid-rod)/2為平均氣隙長(zhǎng)度,sid,rod分別為定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑;θs,θ′s取決于定子和轉(zhuǎn)子齒的幾何尺寸。
圖4 氣隙磁導(dǎo)的計(jì)算Fig. 4 Calculation of air gap permeance
θs、θ′s的計(jì)算如式(6):
(6)
式中:s(r)id,s(r)tft,s(r)tfw分別為定轉(zhuǎn)子內(nèi)徑、齒法蘭厚度、齒面寬度;Nss,Nrs分別為定、轉(zhuǎn)子齒數(shù);β為轉(zhuǎn)子槽傾斜角度。
在鼠籠式異步電機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子中的磁通量都是由電機(jī)中電流所產(chǎn)生。故建立定子及轉(zhuǎn)子電路方程來(lái)表示磁通量與相電流、相電壓之間關(guān)系,其計(jì)算如式(7):
(7)
式中:ψs為相磁鏈向量,ψs=Msψφst,其中,Msψ為定子的相磁鏈傳輸矩陣,其表示方法見(jiàn)文獻(xiàn)[6];Vs為相電壓向量;Is為相電流向量;Rs為相電阻向量。
鑒于鼠籠式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特殊,無(wú)法用規(guī)則繞組方式來(lái)建立電路方程,因此筆者對(duì)其加以單獨(dú)分析,其示意如圖5。由圖5可知,鼠籠轉(zhuǎn)子的電路方程如式(8):
圖5 鼠籠轉(zhuǎn)子電路示意Fig. 5 Circuit diagram of squirrel cage rotor
(8)
式中:ψr, j為轉(zhuǎn)子第j段相磁鏈向量,ψr=Mrψφrt;Rb, j,Rr, j分別為第j段轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和前后端環(huán)電阻;Ib, j,Ir, j分別為流經(jīng)第j段轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和前后端環(huán)電流。
電動(dòng)機(jī)最主要功能是通過(guò)耦合場(chǎng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?;谀芰渴睾愣ɡ恚刃Т怕肪W(wǎng)絡(luò)模型的電磁轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程如式(9)、(10):
(9)
(10)
式中:θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角;θp為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角;k1,c1分別為輸入軸的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼;Ts為加載到軸上的轉(zhuǎn)矩;J為作用到軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
城軌列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中使用單級(jí)斜齒輪傳遞動(dòng)力,考慮到斜齒輪的嚙合特性,建立12自由度模型。由于未考慮轉(zhuǎn)子偏心影響,故每個(gè)齒輪忽略了x和y向上的扭轉(zhuǎn)自由度,只考慮了x,y,z方向上的平移自由度和z向的扭轉(zhuǎn)自由度,故建立的斜齒輪8自由度動(dòng)力學(xué)模型如圖6。
圖6 斜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型Fig. 6 Dynamic model of helical gear transmission system
圖6中:mi、Ii(i=p,g)為主、從動(dòng)輪質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Rp,Rg為主、從動(dòng)輪基圓半徑;kix,kiy,kiz,cix,ciy,ciz分別為中心點(diǎn)Op,Og在x、y、z方向上的軸承支撐剛度和阻尼;km(t),cm分別為輪齒嚙合的時(shí)變剛度和阻尼;Fx,F(xiàn)y,F(xiàn)z分別為輪齒x,y,z方向上的動(dòng)態(tài)嚙合力;Ts,Tg分別為系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)矩和負(fù)載扭矩。
為簡(jiǎn)化計(jì)算,不考慮齒面摩擦,系統(tǒng)廣義位移列陣{δ}可表示如式(11):
{δ}={xp,yp,zp,θp,xg,yg,zg,θg}T
(11)
式中:xi,yi,zi,θi(i=p,g)分別為主、從動(dòng)斜齒輪中心點(diǎn)Op和Og在x,y,z向平移振動(dòng)位移及繞z軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)位移。
根據(jù)文獻(xiàn)[7],采用勢(shì)能法來(lái)計(jì)算輪齒時(shí)變嚙合剛度可表示如式(12):
(12)
式中:n為同時(shí)參與嚙合的輪齒對(duì)數(shù);下標(biāo)1,2分別代表主、從動(dòng)輪;kb為彎曲剛度;ks為剪切剛度;kh為赫茲接觸剛度;kf為彈性剛度;ka為軸向變形剛度。
(13)
則在x,y,z向上的動(dòng)態(tài)嚙合力可表示如式(14):
(14)
式中:α為齒輪壓力角;αt=tanα/cosβ為端面壓力角。
根據(jù)文獻(xiàn)[13]經(jīng)驗(yàn)公式,在x,y,z向上的軸承支撐剛度kix,kiy,kiz(i=p,g)可表示如式(15):
(15)
式中:軸承選用角接觸球軸承,kix=kiy均為徑向支撐剛度;db為滾子半徑;N為滾子數(shù)目;γ為軸承接觸角;Jai,Jri分別為軸向和徑向載荷積分值;Fai,F(xiàn)ri分別為軸承所受軸向和徑向外力。
由此,可推得系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如式(16):
(16)
電機(jī)-齒輪耦合系統(tǒng)示意如圖7。由圖7可知:電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ將電機(jī)-齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中電氣、機(jī)械兩部分耦合起來(lái),從而得到機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)方程。
圖7 電機(jī)-齒輪耦合系統(tǒng)Fig. 7 Schematic diagram of motor-gear coupling system
筆者采用文獻(xiàn)[8]中城軌列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的主要機(jī)電參數(shù)(表1),利用MATLAB對(duì)以上機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行編程及求解,并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析研究。
表1 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的主要機(jī)電參數(shù)Table 1 Main electromechanical parameters of traction drive system
定子匝間繞組短路和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂是異步電機(jī)最常見(jiàn)故障,約占總故障的47%。定子繞組短路是由于異常熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、電氣應(yīng)力或環(huán)境應(yīng)力作用而導(dǎo)致匝間絕緣加速退化所造成的[9]。而轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在電磁力、熱應(yīng)力、離心力長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生開(kāi)焊和斷裂[10]。這些故障會(huì)引起齒輪箱和電機(jī)的振動(dòng),進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致整個(gè)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)癱瘓,造成巨大損失。城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中如發(fā)生列車故障,將會(huì)影響正常運(yùn)營(yíng)降低服務(wù)質(zhì)量[14-15]。故對(duì)故障狀態(tài)下城軌列車機(jī)電耦合系統(tǒng)故障診斷研究很有必要[11]。圖8為定子短路示意。機(jī)電耦合系統(tǒng)故障模型建立如式(17)、(18):
圖8 定子匝間繞組短路示意Fig. 8 Stator inter turn winding short circuit diagram
(17)
Rb,j-1Ib,j-1
(18)
式(17)為定子短路方程,假設(shè)短路匝數(shù)為nsf,則故障率ksf=nsf/ns(ns為定子每相繞組總匝數(shù));Rf為匝間繞組短路發(fā)生前部分絕緣失效階段故障電阻;Rs為相電阻;Rst為匝間繞組短路部分電阻;Ia,Ib,Ic分別為每相的相電流;If為短路電流。將式(7)替換為式(17),即可得到定子短路時(shí)的機(jī)電耦合模型。
式(18)為轉(zhuǎn)子斷條方程,假設(shè)鼠籠式轉(zhuǎn)子第j段導(dǎo)條斷裂,Rb, j,Rr, j分別為第j段轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和前后端環(huán)的電阻;Ib, j,Ir, j分別為流經(jīng)第j段轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和前后端環(huán)的電流。將式(8)替換為式(18),即可得到轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂時(shí)機(jī)電耦合模型。
圖9為定子匝間繞組短路及轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂1根時(shí)機(jī)電耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
圖9(a)為正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下鼠籠式異步電機(jī)啟動(dòng)階段定子電流時(shí)域圖;由圖9 (a)可知:當(dāng)發(fā)生故障時(shí),PNM相電流較正常狀態(tài)下增大了30%,而動(dòng)態(tài)電機(jī)模型下相電流較正常狀態(tài)下增大了10%。
圖9 定、轉(zhuǎn)子故障下機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig. 9 Dynamic response of electromechanical system under stator and rotor fault
圖9(b)為正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下鼠籠式異步電機(jī)啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)域圖;由圖9(b)可知:定子短路會(huì)引起轉(zhuǎn)速降低及波動(dòng),且故障下的PNM比動(dòng)態(tài)電機(jī)模型降低幅度大。
圖9(c)為正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下鼠籠式異步電機(jī)啟動(dòng)階段電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)域圖;由圖9(c)可知:當(dāng)定、轉(zhuǎn)子故障時(shí),PNM比動(dòng)態(tài)電機(jī)故障模型下電磁轉(zhuǎn)矩的值波動(dòng)大。圖9(d)為正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)嚙合力時(shí)域圖;由圖9(d)可知:當(dāng)定、轉(zhuǎn)子故障會(huì)引起齒輪附加振動(dòng),導(dǎo)致齒輪系統(tǒng)的故障,從而對(duì)牽引系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
圖9(e)、(f)分別為PNM和矢量控制動(dòng)態(tài)電機(jī)故障模型下鼠籠式異步電機(jī)啟動(dòng)階段的電磁轉(zhuǎn)矩頻域圖。
由圖9(e)可知:在故障狀態(tài)下,電磁轉(zhuǎn)矩頻譜中產(chǎn)生了2fs,2.8fs,4fs,4.8fs,6.8fs,8fs,8.8fs,10fs,10.8fs,12.8fs,14fs,16fs,16.8fs等(6n±2)fs和(n+2s)fs次故障特征頻率成分(fs=50 Hz為電源頻率;s為轉(zhuǎn)差率,s=1-np/120fs,n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,p為極對(duì)數(shù),文中s=0.4)。此外,還有齒輪嚙合頻率fm=480 Hz及其諧波(fm=f1×z1,其中f1=n1/60,z1為主動(dòng)輪齒數(shù),f1為輸入軸轉(zhuǎn)頻,n1為輸入軸轉(zhuǎn)速,取1 800/rpm),這是由于在電機(jī)故障狀態(tài)下,氣隙磁導(dǎo)和磁壓降會(huì)具有較大變化,從而導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生波動(dòng),對(duì)齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生非線性作用。
圖9(f)中:只產(chǎn)生了2fs,4.8fs,8fs,10.8fs,16fs,fm等少量故障特征頻率成分。兩種模型下故障頻率如表2,對(duì)比可知:PNM比矢量控制動(dòng)態(tài)單電機(jī)模型更加精確,在基于電磁轉(zhuǎn)矩故障診斷方法中更有優(yōu)勢(shì)。
表2 兩種模型下的頻率對(duì)比Table 2 Frequency comparison under two models
筆者以城軌列車電機(jī)-齒輪耦合牽引系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用集中參數(shù)法和等效磁路網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合的方法建立了齒輪系統(tǒng)和鼠籠式異步電機(jī)的機(jī)電耦合模型。在模型中進(jìn)一步考慮定子匝間繞組短路故障以及鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂故障,基于電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)定子匝間繞組短路故障及鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂故障進(jìn)行診斷研究,并與矢量控制單電機(jī)模型的診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
研究結(jié)論如下:PNM電磁轉(zhuǎn)矩頻譜在低頻域中故障頻率幅值比同情況下基于矢量控制動(dòng)態(tài)單電機(jī)模型更大,在高頻處產(chǎn)生了更明顯(6n±2)fs、(n+2s)fs的fs高次諧波分量,易于故障識(shí)別,在機(jī)電耦合系統(tǒng)故障診斷中更有優(yōu)勢(shì);機(jī)電耦合系統(tǒng)故障可通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)有效檢測(cè),該研究成果為進(jìn)一步開(kāi)展無(wú)傳感器機(jī)電耦合牽引傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。