内嵌式永磁同步电机转子偏心故障诊断方法的研究

【摘要】：近年,永磁同步电机开始应用在高铁、磁悬浮等调速场合,它们的可靠运行对人类社会的生产和生活有着愈发重要的意义,因此研究针对永磁同步电机的状态监测和故障诊断方法具有非常现实的必要性。作为常见的电机故障之一,转子偏心导致不平衡磁拉力,如果没有及时发现或采取有效的维护措施,不平衡磁拉力会加重偏心程度,最终导致定转子碰撞。碰撞的机械应力可能损伤定子绝缘和转子磁钢,进而使问题恶化。因此,本文以一种电动汽车用内嵌式永磁同步电机为研究对象,针对内嵌式永磁同步电机的稳态和非稳态运行工况,从偏心电机建模、基于模型的故障诊断,和基于高级信号数据处理技术的故障诊断这三个方面深入研究了内嵌式永磁同步电机的转子偏心故障诊断方法。在偏心电机建模方面,针对P对极分布绕组的内嵌式永磁同步电机,本文采用改进绕组函数法,建立了能够模拟转子偏心故障的电机模型。所建立的模型得到了二维有限元仿真结果的验证。通过仿真分析静态偏心、动态偏心和混合偏心三种状态下定子电感、永磁体磁链和定子绕组空载反电势的变化,确认只有混合偏心才能在电机电流中产生偏心故障特征,并发现定子电感的畸变是电机电流出现偏心故障谐波的最主要根源。此外,所建立的仿真模型被用于检验文中后续提出的故障诊断方法的可行性,以及预测诊断效果。针对内嵌式永磁同步电机的稳态运行工况,本文依次从频域和时域,提出了两种基于模型的在线偏心故障诊断方法。首先,本文针对内嵌式永磁同步电机,提出了基于无近似展开改进绕组函数法的电感模型,以更加准确地分析定子电感与转子偏心度之间的定量关系。所提出的模型能够考虑实际定子绕组的分布结构,而且不需要对匝函数和偏心函数作近似展开就能实现定子电感的计算。然后,利用所提出的定子电感模型,本文从频域的角度深入研究了 dq同步旋转坐标系下定子电感的偏心特征分别与偏心度和初始偏心角的定量关系,在dq坐标系提出了偏心故障下的电感矩阵表达式。在此基础之上,受到无位置传感器控制技术的启发,随后提出了一种基于高频d轴电感波动的在线频域偏心故障诊断方法,解决了现有文献中基于激励注入的偏心故障诊断方法仅能用于离线电机的不足。该方法有两个显著优势。其一,在满足电流传感器精度的前提下,所注入的高频正弦脉振电压幅值越低,诊断效果越好,因此对系统运行的影响较小。其二,该方法不会混淆偏心和(局部)退磁故障,其故障指标能显著区分转子偏心度,结合对永磁体磁链幅值的估计,可以同时诊断转子偏心故障和永磁体退磁故障。尽管该方法不需要电机离线,但它需要对实时估算的高频d轴电感做快速傅里叶变换(FFT),而目前面向电机控制的嵌入式数字信号处理器(DSP)因存储空间和计算速率的限制,其FFT结果往往达不到故障诊断的要求,影响诊断的实时性。使得最后的频谱分析需要借助上位机或附加专用芯片实现。因此,为了能够实现完全实时的偏心状态监测方法,本文继续将前述提出的偏心故障下的电感矩阵表达式从dq坐标系变换到aβ静止坐标系,然后利用电流矢量瞬态变化轨迹,提出了用于诊断内嵌式永磁同步电机偏心故障的倒瞬态复电感矢量理论以及一种特殊的高频电压序列注入方法,最终实现了纯时域且实时可视化的电机偏心状态在线监测方法。该方法摆脱了对FFT依赖,仅需要若干步的代数运算,能够完全由DSP执行,不会给DSP增加负担。该方法的偏心故障指标的绝对值与总体偏心度成正相关,而且能显著区分偏心故障和退磁故障。由于该方法的时域矢量轨迹图会随电机转速的升高而畸变,因此该方法更适用于电机低速运行工况的偏心诊断。鉴于前述基于模型的方法仅能用于电机稳态运行场合,而非稳态运行场合的诊断一般需要使用信号处理技术实现,因此针对内嵌式永磁同步电机的非稳态运行工况,本文提出了一种基于高级信号数据处理技术的故障诊断方法。首先,本文对一类高精度参数估计方法进行改进,将高精度参数估计方法从频域拓展到了时频域,提出了一种自适应短时细化矩阵束的时频分析方法,用于诊断非稳态运行工况的偏心故障。该方法能够在任何工况下都保持高计算效率,不需要人工调整参数。其次,在转速和负载有波动的似稳态工况,高精度参数估计方法会出现估计结果不一致的问题。为了解决这一问题,本文通过引入蒙特卡洛估计和分布拟合,提出了一种故障特征提取方法,用于对时频分析方法产生的大量估计样本做进一步数据处理,最终获得近似无偏的故障特征频率和幅值。整个方法不仅可以用于检测转子偏心故障,还可以用于检测其它转子故障。同时该方法也继承了信号处理技术的不足,即,诊断过程计算量大,需要在上位机实现,而且不能区分偏心和局部退磁故障,需要和基于模型的方法结合使用。本文所提出的三种方法具有各自的优点和不足,适用于不同的运行场合和需求。提出的全部理论和方法的正确性和有效性均得到了仿真和实验的充分验证。