诊断永磁电机气隙偏心故障的方法技术

本发明专利技术涉及电机故障诊断与状态监测领域，公开一种诊断永磁电机气隙偏心故障的方法。所述方法包括，在永磁电动机处于运行时，通过逆变器在电机的转子坐标系的d轴注入高频电压，实时计算高频d轴电感，然后分析所述高频d轴电感的特定谐波，诊断气隙偏心故障，并且能够准确判断具体气隙偏心的严重程度。本发明专利技术的优点是：能够电机运行过程中，在线诊断和区分气隙偏心的故障严重程度，而且不需要额外安装传感器。

Method for diagnosing air gap eccentric fault of permanent magnet motor

The invention relates to the field of motor fault diagnosis and condition monitoring, and discloses a method for diagnosing the air gap eccentric fault of a permanent magnet motor. The method comprises, in permanent magnet motor is in operation, high frequency voltage injection through the inverter in the motor rotor coordinate axis D, real-time calculation of high frequency d axis inductance, and specific harmonic analysis of the high frequency d axis inductance, diagnosis of air gap eccentric fault, and can accurately judge the severity of the eccentric gap. The invention has the advantages that the fault severity of the air gap eccentricity can be diagnosed and distinguished on-line in the running process of the motor, and no additional sensors are needed.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电机故障诊断与状态监测领域，具体涉及一种诊断永磁电机气隙偏心故障的方法。
技术介绍
随着轨道交通电气化和电动汽车的普及，研究牵引电机的故障诊断技术已经获得行业内日益增加的重视。永磁牵引电机因其控制方式比异步电机简单，能量转换效率高，它已经是电动汽车领域的主流选择。同时，随着国产永磁高铁的大跨越发展，可以被预见的是，未来在中国，大量的永磁牵引电机会被装备在轨道交通领域。因此，及时且有效地诊断永磁电机初期可能产生的故障对维护整个电气驱动系统，降低人力维护成本，避免发生更严重的不可逆事故，保护人的生命财产安全，具有非常重要的意义。永磁电机的故障主要有四种，定子匝间短路，轴承故障，永磁体退磁故障，和气隙偏心故障，其中后三种是涉及电机转子的故障。在涉及电机转子的故障中，轴承故障的在电机电流里反映的特征频率特殊，非整数次谐波，因此可以很容易地确诊。气隙偏心故障会在电机电流中呈现(fs±kfr)的特征频率。但是，永磁体局部退磁后，转子的剩磁分布不均，偏心磁拉力出现，产生转矩波动，而所述转矩波动也会在电机电流里呈现出与气隙偏心故障相同或类似的故障特征。如果按照上述电机电流特征分析方法，则会将一个本存在永磁体局部退磁的电机误报为气隙偏心故障。此外，气隙偏心的最终事故是定转子碰磨，产生火花，逆变器过流，电机过流，有可能使永磁体出现额外的局部退磁故障。因此我们需要真正有效的，能够定量衡量的气隙偏心故障诊断方法，从而做到有计划的维护，降低维护成本。尽管目前有离线的气隙偏心故障诊断方法，但是，这类方法需要将电机和传动机构脱开。高铁和电动汽车上装备的永磁牵引电机是这两类故障主要的承受对象，使车轮悬空，或者将电机和联动机构脱开，是不现实的。目前尚未出现可以在电机运行过程准确定量诊断出电机气隙偏心故障的方法。因此，专利技术一种在线的，准确无误的，定量诊断气隙偏心故障的方法有重要的经济价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种诊断永磁电机气隙偏心故障的方法。所述方法包括：所述永磁电机的运行过程中，在旋转坐标系的d轴注入高频脉振电压，其中所述旋转坐标系的d轴和永磁体d轴重合，实时计算高频d轴电感和；在一个预先被确定的频率范围F内，识别所述高频d轴电感的特定谐波，所述特定谐波的频率始终等于转子机械旋转频率；在所述预先被确定的频率范围F内，确定所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1；比较所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1和一个预先被确定的阈值A10，确定所述永磁电机的气隙偏心故障。优选的，所述确定永磁电机的气隙偏心故障的方法为：如果所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1不超过阈值A10，则判定所述永磁电机不存在气隙偏心故障；如果所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1超过阈值A10，则判定所述永磁电机存在气隙偏心故障。所述高频d轴电感的一次谐波的幅值A1与气隙偏心严重程度成正相关，用所述高频d轴电感的一次谐波的幅值A1确定气隙偏心故障的严重程度。本专利技术的优点是：能够准确判断出永磁电机气隙偏心故障，可以在牵引系统运行过程中在线诊断，即不需要在系统停机或将电机与系统脱离的前提下诊断，不影响系统运行，不需要附加传感器，且不需要传感器侵入电机本体，能够定量区分气隙偏心故障的严重程度。附图说明下面将参考附图详细阐述本专利技术的优选实施例。图1是本专利技术方法在一个具体实施例中的流程示意图。图2为一个优选实施例中，定子相电流的频谱分析结果；其中(A)是正常永磁牵引电机M1的电流频谱图，(B)是确认存在气隙偏心故障的永磁牵引电机M2的电流频谱图，(C)是确认存在永磁体局部退磁故障的永磁牵引电机M3的电流频谱图。图3为一个优选实施例中，本专利技术方法对所述M1、M2、M3的诊断结果；其中(A)是M2和M1的高频d轴电感频谱对比，(B)是M3和M1的高频d轴电感频谱对比。图4为本专利技术多个优选实施例中，本专利技术方法对不同气隙偏心严重程度的永磁牵引电机M2的定量诊断结果。具体实施方式应当理解，优选实施例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围。在一个实施例中，本专利技术的方法的流程图如图1所示，所述实现方式步骤如下：1)预先确定频率范围F和阈值A10；2)所述永磁电机的运行过程中，在旋转坐标系的d轴注入高频脉振电压，其中所述旋转坐标系的d轴和永磁体d轴重合，实时计算高频d轴电感；3)在一个预先被确定的频率范围F内，识别所述高频d轴电感的特定谐波，所述特定谐波的频率始终等于转子机械旋转频率；在所述预先被确定的频率范围F内，确定所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1；4)比较所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1和一个预先被确定的阈值A10，确定所述永磁电机的气隙偏心故障。其中，所述确定永磁电机的气隙偏心故障的方法为：i.如果所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1不超过阈值A10，则判定所述永磁电机不存在气隙偏心故障；ii.如果所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1超过阈值A10，则判定所述永磁电机存在气隙偏心故障。5)所述高频d轴电感的特定谐波的幅值A1与气隙偏心严重程度成正相关，用所述高频d轴电感的特定谐波的幅值A1确定气隙偏心故障的严重程度。在一个优选实施例中，选取三台不同健康状态的同型号电动汽车用永磁牵引电机。电机的极对数p＝4。这三台永磁牵引电机分别以M1，M2和M3表示。M1是正常电机，存在容差范围内的固有气隙偏心，不存在任何故障；M2是故障电机，存在由轴承损坏所致的气隙偏心故障，不存在其它故障。M3是故障电机，存在局部永磁体退磁故障，不存在偏心故障。在一个具体的优选实施例中，基于以DSP28335和FPGA为核心的控制系统的大功率变频器采用转子磁链定向控制方式分别驱动M1，M2和M3。所述大功率变频器的开关频率是8kHz，电机速度是由8192ppr增量式光电编码器采集。M1，M2和M3运行在600rpm，带相同负荷。可知，电机的转子机械旋转频率fr是10Hz，供电频率fs是40Hz。图2给出M1，M2，M3的各自的电机电流频谱图，以体现电机电流特征不能够准确反映气隙偏心故障，尤其注意图2(B)，k＝1处的左边带频率2110和右边带频率2120处的尖峰幅值明显低于k＝2处的左边带频率2250和右边带频率2260处的尖峰幅值，这使得在选择合适的电机电流特征时会遭遇困难。在另一个具体的优选实施例中，基于以DSP28335和FPGA为核心的控制系统的大功率变频器采用转子磁链定向控制方式分别驱动M1，M2和M3。所述大功率变频器的开关频率是8kHz，电机速度是由8192ppr增量式光电编码器采集。M1，M2和M3运行在600rpm，带相同负荷。可知，电机的转子机械旋转频率fr是10Hz，供电频率fs是40Hz。本专利技术的一种实施方式如下：1)预先确定频率范围F＝[0Hz,62.5Hz]，不妨先设置阈值A10为0，实际阈值是正常电机高频d轴电感所述特定谐波的幅值。2)所述永磁电机的运行过程中，在旋转坐标系的d轴注入高频脉振电压，其中所述旋转坐标系的d轴和永磁体d轴重合，所述高频脉振电压的幅值Ui＝1V，脉振频率fi＝500Hz。实时计算高频d轴电感和永磁体磁链，计算高频d轴电感的公式如下：其中t是通过设置DSP内部定时器产生的时间，id是反馈的d轴电流。3)在所述频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种诊断永磁电机气隙偏心故障的方法，其特征在于，所述方法包括：a.所述永磁电机的运行过程中，在旋转坐标系的d轴注入高频脉振电压，其中所述旋转坐标系的d轴和永磁体d轴重合，实时计算高频d轴电感；b.在一个预先被确定的频率范围F内，识别所述高频d轴电感的特定谐波，所述特定谐波的频率始终等于转子机械旋转频率；c.在所述预先被确定的频率范围F内，确定所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1；d.比较所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1和一个预先被确定的阈值A10，诊断所述永磁电机的气隙偏心故障。

【技术特征摘要】
1.一种诊断永磁电机气隙偏心故障的方法，其特征在于，所述方法包括：a.所述永磁电机的运行过程中，在旋转坐标系的d轴注入高频脉振电压，其中所述旋转坐标系的d轴和永磁体d轴重合，实时计算高频d轴电感；b.在一个预先被确定的频率范围F内，识别所述高频d轴电感的特定谐波，所述特定谐波的频率始终等于转子机械旋转频率；c.在所述预先被确定的频率范围F内，确定所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1；d.比较所述高频d轴电感的特定谐波幅值A1和一个预先被确定的阈值A10，诊断所...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄进，刘子剑，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33