一种旋转永磁同步电机动态偏心故障检测方法技术

本申请公开了一种旋转永磁同步电机动态偏心故障检测方法，涉及电机偏心诊断领域，包括如下步骤：一、采集待诊断旋转永磁同步电机的探测线圈电压时间历程；二、判断待诊断旋转永磁同步电机是否发生动态偏心故障；三、建立旋转永磁同步电机动态偏心电磁仿真模型、进行仿真，建立动态偏心故障特征库；四、基于支持向量机建立旋转永磁同步电机动的态偏心率检测模型；五、应用旋转永磁同步电机的动态偏心率检测模型诊断旋转永磁同步电机动态偏心率。本发明专利技术可以快速检测电机动态偏心故障有无以及动态偏心率；具有检测精度高、方法简单、测试方便等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转永磁同步电机动态偏心故障检测方法
本专利技术涉及电机偏心诊断领域，尤其是涉及旋转永磁同步电机动态偏心故障检测方法。
技术介绍
旋转永磁同步电机由于功率密度高、效率高、鲁棒性好、结构紧凑等优点，广泛应用于航空航天、风力发电、军事、轨道交通、电动汽车等重要领域。偏心故障是永磁同步电机的一种常见故障，这种故障通常是由不平衡负载、联轴器不对中、装配不当、转轴弯曲等因素引起的。根据偏心方式的不同，偏心故障可分为：静态偏心、动态偏心和混合偏心。如图1所示，动态偏心是指电机转子圆心OR未与定子圆心OS重合，在转子围绕转子圆心OR旋转的同时，转子圆心OR围绕定子圆心OS旋转。动态偏心会引起轴的扭转振动、各相电流不平衡加剧、不平衡磁拉力增大、轴承压迫及损伤、齿槽转矩升高、噪声增大，严重的会导致铁心变形、定转子碰撞，甚至导致电机报废。准确、快速、可靠的电机动态偏心故障诊断对电机及驱动系统的状态判定、质检维护、稳定运行等意义重大。现有电机偏心故障检测技术大概分为如下六类：(1)基于定子电流信号分析的偏心故障诊断方法。该方法中，电流信号易受电机运行状态影响，当电机发生局部退磁故障或匝间短路故障时，也同样会出现与偏心故障类似的电流信号特征，易发生误诊。(2)基于相电压波形或探测线圈电压的频谱特性的偏心故障诊断方法。使用相电压波形进行检测时，通常电机绕组是由多个线圈串、并联而成，存在分布系数，因此电机磁场的变化经过分布绕组叠加后往往难以根据电压波形进行准确诊断。使用探测线圈电压频谱特性检测时，需要在定子槽内或定子轭部外侧面预埋探测线圈，专利CN109541461A在每个定子齿上绕制1个线圈，预埋探测线圈个数较多，实际的测量时较为繁琐。仅仅根据基波幅值大小或者偏心故障的特征频率进行诊断效果不好，且偏心量与基波或谐波幅值之间并非线性关系，因此对于偏心故障程度的诊断不准确。专利CN210072012U在定子铁芯外边沿轭部周向布置多个感应线圈用于诊断风力发电机的偏心故障，但是仅根据电压特征频率并不能准确的诊断出偏心量。(3)基于振动信号的偏心故障诊断。该方法需要采用采用高精度加速度传感器进行测量，成本较高、装置复杂，无法准确判断最小气隙位置和偏心量。专利CN105698740A利用振动信号对永磁同步电机偏心故障进行检测，虽然用此方法可以检测出偏心故障，但是需要测量无偏心时的振动特征，而且振动信号易受外界环境的干扰，易导致检测结果不准确。(4)基于磁通信号的偏心故障检测。此方法需要在定子齿上开槽安装霍尔传感器或排布磁场检测线圈阵列，故对电机改动较大，工艺复杂；此外，电机气隙长度极小，大约在0.1mm数量级，维修不便，成本较高，不适合大批量生产以及工程上应用。专利CN108614212A中使用多个霍尔传感器测量电机的磁感应强度，对电机改动较大，测量较为复杂，可能存在传感器与定子发生干涉、碰撞的风险。(5)基于漏磁信号的偏心故障检测。专利CN110531259A采用漏磁传感器采集机壳外部的漏磁信号，虽然操作方便，但是电机壳外部漏磁较小，漏磁信号非常微弱，检测精度依赖于漏磁传感器的测量精度，且易受其他信号干扰；对测试环境要求较高，不易准确测量；不能诊断出偏心量的大小。(6)基于温度信号的偏心故障诊断。专利CN106602797B利用多个薄膜热敏电阻实时在线测量并记录待测电动机定子齿部的温升信号，此方法易受环境温度的影响；不同电机运转过程中温度变化很大，无法保证测量的准确性；另外此方法不能检测出偏心量的大小。综上所述，现有技术很难实现诊断精度高、操作简便、适用于工程实际应用、成本低的旋转永磁同步电机的动态偏心故障检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种操作简单，易于实现，检测精度高，适于工程实际应用，成本低的旋转永磁同步电机动态偏心故障检测方法。一种旋转永磁同步电机动态偏心故障检测方法，包括如下步骤：步骤一、采集待诊断旋转永磁同步电机的探测线圈电压时间历程：1.1、待诊断旋转永磁同步电机共有Q个定子齿，整个圆周方向上均布3个探测线圈，每跨b个定子齿设置1个探测线圈，探测线圈匝数为2匝；b的取值范围为[1,int[Q/3]]，int[Q/3]表示向下取整，如int[3.5]＝3；对所述定子齿上绕制的线圈依次编号为i，i＝1、2、3；1.2、待诊断旋转永磁同步电机空载运行，设置转速为额定转速N，同步测量和记录t至t+T时间内3个探测线圈上的电压时间历程ui，i＝1、2、3；T为机械周期，T＝60/N；步骤二、判断待诊断旋转永磁同步电机是否发生动态偏心故障：2.1、作出3个探测线圈的电压时间历程ui波形图，若下列(1)、(2)条件同时成立，则判定待诊断的旋转永磁同步电机存在动态偏心故障，否则无动态偏心故障，(1)待诊断旋转永磁同步电机3个探测线圈电压时间历程ui波形相同，相位不同；(2)在一个机械周期T内，待诊断旋转永磁同步电机每个探测线圈电压存在极对数个不等的极大值；步骤三、建立旋转永磁同步电机动态偏心电磁仿真模型、进行仿真，建立动态偏心故障特征库：3.1、在电磁有限元软件中，建立n个不同动态偏心率的旋转永磁同步电机的动态偏心电磁有限元模型，设置动态偏心率分别为0，a，2a，3a，…，(n-1)a，其中a≤5％，n为正整数，(n-1)a<1，故形成动态偏心率的矩阵Yn×1：Yn×1＝[0a2a3a…(n-1)a]T3.2、在额定转速下，对n个不同动态偏心率的旋转永磁同步电机动态偏心电磁有限元模型进行空载仿真，获取每个动态偏心率下3个探测线圈的电压时间历程；3.3、对仿真得到的n个不同动态偏心率下旋转永磁同步电机的探测线圈电压时间历程进行滤波去噪，利用快速傅里叶变换将电压时间历程信号变换为电压幅频信号；3.4、旋转永磁同步电机发生动态偏心时，探测线圈电压频率会产生fc±fr的特征频率，其中fc为电机的基波频率，fr为电机的机械转频；n个不同动态偏心率的旋转永磁同步电机的各自3个探测线圈电压频率的电压基波幅值、左边带谐波幅值和右边带谐波幅值用矩阵Un×9表示为：在第n个旋转永磁同步电机动态偏心电磁有限元模型下，第i个探测线圈电压频率为fc的电压基波幅值可记为Un_i_fc，第i个探测线圈电压频率为fc-fr的电压左边带谐波幅值记为Un_i_fc-fr，第i个探测线圈电压频率为fc+fr的电压右边带谐波幅值记为Un_i_fc+fr，其中，i＝1,2,3；步骤四、基于支持向量机建立旋转永磁同步电机动的态偏心率检测模型：4.1、支持向量机构建，所述支持向量机的结构依次包括：输入层、核函数层和输出层；4.2、所述支持向量机的训练集确定，选择旋转永磁同步电机动态偏心电磁仿真模型中的n个动态偏心率下3个探测线圈电压频率的电压基波幅值、左边带谐波幅值和右边带谐波幅值、即Un×9，作为支持向量机的输入层，其对应的动态偏心率矩阵Yn×1作为支持向量机的输出层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转永磁同步电机动态偏心故障检测方法，包括如下步骤：/n步骤一、采集待诊断旋转永磁同步电机的探测线圈电压时间历程：/n1.1、待诊断旋转永磁同步电机共有Q个定子齿，整个圆周方向上均布3个探测线圈，每跨b个定子齿设置1个探测线圈，探测线圈匝数为2匝；b的取值范围为[1,int[Q/3]]，int[Q/3]表示向下取整；对所述定子齿上绕制的线圈依次编号为i，i＝1、2、3；/n1.2、待诊断旋转永磁同步电机空载运行，设置转速为额定转速N，同步测量和记录t至t+T时间内3个探测线圈上的电压时间历程u

【技术特征摘要】
1.一种旋转永磁同步电机动态偏心故障检测方法，包括如下步骤：
步骤一、采集待诊断旋转永磁同步电机的探测线圈电压时间历程：
1.1、待诊断旋转永磁同步电机共有Q个定子齿，整个圆周方向上均布3个探测线圈，每跨b个定子齿设置1个探测线圈，探测线圈匝数为2匝；b的取值范围为[1,int[Q/3]]，int[Q/3]表示向下取整；对所述定子齿上绕制的线圈依次编号为i，i＝1、2、3；
1.2、待诊断旋转永磁同步电机空载运行，设置转速为额定转速N，同步测量和记录t至t+T时间内3个探测线圈上的电压时间历程ui，i＝1、2、3；T为机械周期，T＝60/N；
步骤二、判断待诊断旋转永磁同步电机是否发生动态偏心故障：
2.1、作出3个探测线圈的电压时间历程ui波形图，若下列(1)、(2)条件同时成立，则判定待诊断的旋转永磁同步电机存在动态偏心故障，否则无动态偏心故障，
(1)待诊断旋转永磁同步电机3个探测线圈电压时间历程ui波形相同，相位不同；
(2)在一个机械周期T内，待诊断旋转永磁同步电机每个探测线圈电压存在极对数个不等的极大值；
步骤三、建立旋转永磁同步电机动态偏心电磁仿真模型、进行仿真，建立动态偏心故障特征库：
3.1、在电磁有限元软件中，建立n个不同动态偏心率的旋转永磁同步电机的动态偏心电磁有限元模型，设置动态偏心率分别为0，a，2a，3a，…，(n-1)a，其中a≤5％，n为正整数，(n-1)a<1，故形成动态偏心率的矩阵Yn×1：
Yn×1＝[0a2a3a…(n-1)a]T
3.2、在额定转速下，对n个不同动态偏心率的旋转永磁同步电机动态偏心电磁有限元模型进行空载仿真，获取每个动态偏心率下3个探测线圈的电压时间历程；
3.3、对仿真得到的n个不同动态偏心率下旋转永磁同步电机的探测线圈电压时间历程进行滤波去噪，利用快速傅里叶变换将电压时间历程信号变换为电压幅频信号；
3.4、旋转永磁同步电机发生动态偏心时，探测线圈电压频率会产生fc±fr的特征频率，其中fc为电机的基波频率，fr为电机的机械转频；n个不同动态偏心率的旋转永磁同步电机的各自3个探测线圈电压频率的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：马琮淦，李鑫，王金昊，尹相睿，赵越，张星星，李琼瑶，李佳铭，沈恩德，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，中国第一汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37