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三相永磁同步電機(jī)故障診斷與分析

文章出處:網(wǎng)責(zé)任編輯:作者:人氣:-發(fā)表時(shí)間:2017-07-21 08:59:00【

[摘要] 目前用于電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)類(lèi)型主要有有刷直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)等,永磁同步電機(jī)具有效率高,功率密度和轉(zhuǎn)矩密度大的優(yōu)點(diǎn),是極具發(fā)展?jié)摿Φ碾姍C(jī)類(lèi)型。但電機(jī)的工況惡劣、振動(dòng)嚴(yán)重、工作環(huán)境溫度較高等原因使得電機(jī)很容易發(fā)生故障,其常見(jiàn)的故障有匝間短路、轉(zhuǎn)子偏心和永磁體退磁等。本文將簡(jiǎn)要研究分析故障原因和機(jī)理,并建立起合適的故障工況下的有限元仿真模型,分析和提取其故障特征,并提出一些能應(yīng)用于電機(jī)早期故障診斷的判斷依據(jù)。

本文研究分析了三相永磁同步電機(jī)的繞組斷線故障、匝間短路故障、轉(zhuǎn)子偏心故障以及永磁體退磁故障。

1.前言

隨著近年來(lái)環(huán)境污染和能源短的日益突出,世界各國(guó)開(kāi)始相繼重視這兩個(gè)問(wèn)題,并提出對(duì)策。永磁同步電機(jī)作為一種高性能的交流電機(jī),因其具有體積小,可靠性高,功率因數(shù)和功率密度高高,效率高等優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行范圍很寬,可以在其額定功率數(shù)值25%-120%的范圍內(nèi)保持很高的運(yùn)行效率,完全能夠適應(yīng)負(fù)載變化比較大的場(chǎng)合。因此,永磁同步電機(jī)的發(fā)展和推廣使用,將能夠極大滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)工業(yè)對(duì)高效電機(jī)的需求。

但與此同時(shí),電機(jī)作為一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電能量之間轉(zhuǎn)換的系統(tǒng),它的結(jié)構(gòu)是由定子,轉(zhuǎn)子,和軸承等電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成,其總體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。但電機(jī)工作時(shí),具有復(fù)雜的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,在長(zhǎng)期運(yùn)行中,受供電情況、負(fù)載工況和運(yùn)行環(huán)境的影響,某些部件會(huì)逐漸失效,損壞。電機(jī)的工作原理都是基于電磁理論,主要由電路(繞組)和磁路(鐵芯)兩大部分組成,其主要故障類(lèi)型有繞組斷線、繞組過(guò)熱、匝間短路、絕緣老化、鐵芯變形及電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心等,永磁同步電機(jī)因其轉(zhuǎn)子上還裝設(shè)有永磁體,還可能發(fā)生永磁體的不可逆退磁故障,總體來(lái)說(shuō),電機(jī)故障種類(lèi)繁多,原因復(fù)雜。電機(jī)集電氣與機(jī)械部件于一體,加之處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中,故障征兆呈多樣性,既有電氣故障特性,又有機(jī)械故障特性;既有電氣量(電壓、頻率、電流、功率等),也有非電氣量(熱、聲、光、氣、輻射、振動(dòng)等)。

本文主要對(duì)一臺(tái)功率為11kW面貼式三相永磁同步電機(jī)進(jìn)行分析,分別仿真分析其發(fā)生定子繞組斷線故障、定子繞組匝間短路故障、電機(jī)轉(zhuǎn)子靜偏心與動(dòng)偏心,以及永磁體的不可逆退磁故障。通過(guò)對(duì)故障工況有限元分析結(jié)果的后處理,總結(jié)出了故障特征信息和相關(guān)的故障程度評(píng)價(jià)指標(biāo),為提出如何實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的可靠運(yùn)行、建立電機(jī)的實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)等方面的內(nèi)容提供了一定的依據(jù)。

2.電機(jī)的有限元分析模型

將RMxprt模塊中建立的電機(jī)模型導(dǎo)入Maxwell2D中進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示:



2.1空載特性分析

首先,有限元分析了該電機(jī)模型的空載特性,包括求解空載反電動(dòng)勢(shì),反電動(dòng)勢(shì)的諧波含量,氣隙磁場(chǎng)中的徑向磁密分布。永磁同步電機(jī)空載時(shí),由于電樞電流很小,電機(jī)內(nèi)僅有永磁體所建立的永磁磁場(chǎng)(主磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng))??蛰d反電動(dòng)勢(shì)是永磁同步電機(jī)的一個(gè)非常重要的參數(shù),E0的大小對(duì)電機(jī)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能都有很大的影響,合理地設(shè)計(jì)電機(jī)的E0可以降低空載電流,提高功率因數(shù)和效率,降低電機(jī)溫升。經(jīng)分析,本次設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)空載反電勢(shì)的幅值與外加電壓U的幅值的比值在0.95左右,證明該電機(jī)的設(shè)計(jì)是成功的,具有良好的空載特性。



2.2負(fù)載特性分析

進(jìn)一步,對(duì)永磁同步電機(jī)額定負(fù)載下的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了仿真,求取了其輸出轉(zhuǎn)矩的波形以及定子繞組銅損、鐵芯損耗(包括鐵芯磁滯損耗與渦流損耗);另外求解分析了電機(jī)從半載到滿(mǎn)載的動(dòng)態(tài)過(guò)程,證明了電機(jī)具有較好的帶載能力和動(dòng)態(tài)性能。為接下來(lái)進(jìn)一步的仿真分析建立了基礎(chǔ)。

3.電機(jī)故障診斷與分析

3.1繞組故障分析

仿真中定子繞組采用外電路模型導(dǎo)入的方式賦予激勵(lì),外電路模型中三相對(duì)稱(chēng)電源為Y型接法,定子三相繞組為三角接法。并在C相繞組的回路中串入一個(gè)壓控式開(kāi)關(guān)S_C,該開(kāi)關(guān)在0.25s前處于閉合,0.25s后斷開(kāi),從而模擬C相繞組斷路故障的發(fā)生。

從結(jié)果來(lái)看,當(dāng)定子繞組C相斷線后,AB相繞組的相電流迅速增加,電機(jī)銅損增加,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降,帶載能力降低。故障發(fā)生后,A相相電流與線電流相等,C相相電流為零,但其線電流相位與B相相電流相差180度,幅值相等。因此,這一依據(jù)可以作為對(duì)定子某一相繞組斷線的故障特征,從而應(yīng)用于相關(guān)的故障診斷系統(tǒng)中。

三相交流電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,其主要組成部分——定子在熱、電、機(jī)械、環(huán)境應(yīng)力等共同作用下,經(jīng)常發(fā)生匝間短路故障,其發(fā)生率高達(dá)30%~40%。

定子繞組的激勵(lì)仍然采用外電路導(dǎo)入的形式,通過(guò)對(duì)外電路的設(shè)置模擬電機(jī)的匝間短路故障。將電機(jī)某一極下兩個(gè)槽中的繞組全部短路,即將A相繞組在0.25s時(shí)刻(共12個(gè)槽)短路全部匝數(shù)1/6,如此設(shè)置是為了建模比較方便,無(wú)需對(duì)故障繞組的幾何模型進(jìn)行重新修改。

電機(jī)正常時(shí),電機(jī)的各個(gè)線圈之間有良好的絕緣,當(dāng)電機(jī)發(fā)生匝間短路故障時(shí),絕緣層被破壞,出現(xiàn)短路電流。因此短路電阻Rf的值越小,代表故障的程度更加嚴(yán)重。

結(jié)果表明,在故障初期,也就是短路電阻較大時(shí),短路電流if較小,故障現(xiàn)象不明顯,短路處的發(fā)熱不大。隨著故障的發(fā)展,短路電阻迅速減小,短路電流增大,短路處的發(fā)熱量增大,使得絕緣迅速失效,故障進(jìn)一步加劇,最終導(dǎo)致繞組完全短路,燒損。因此,短路電流應(yīng)是評(píng)價(jià)電機(jī)故障程度的一個(gè)重要指標(biāo)。同時(shí),通過(guò)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的分析,匝間短路故障導(dǎo)致了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的增加,這表明了氣隙磁場(chǎng)發(fā)生了畸變。

if產(chǎn)生了一個(gè)脈振磁場(chǎng),它會(huì)引起氣隙磁場(chǎng)的畸變,產(chǎn)生不同于正常運(yùn)行時(shí)的電磁力波,進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化。這不但會(huì)影響電機(jī)的機(jī)械性能,還會(huì)增大電機(jī)定轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng),發(fā)出異常的機(jī)械噪聲。而振動(dòng)的增大又會(huì)導(dǎo)致定子繞組匝間短路故障的進(jìn)一步惡化,同時(shí)短路電流還可以形成去磁磁動(dòng)勢(shì),使電機(jī)永磁體發(fā)生不可逆失磁。因此,對(duì)于永磁同步電機(jī)定子繞組匝間短路故障的早期診斷,是非常有必要的。

3.2轉(zhuǎn)子偏心故障分析

轉(zhuǎn)子偏心故障可分為靜態(tài)偏心故障、動(dòng)態(tài)偏心故障二種類(lèi)型。產(chǎn)生靜態(tài)偏心的主要原因是即定轉(zhuǎn)子不同軸心,造成動(dòng)態(tài)偏心的原因是轉(zhuǎn)軸彎曲或軸承損壞等。靜偏心故障是電機(jī)普遍存在的故障,靜偏心相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心從定子中心向某個(gè)方向偏移,使轉(zhuǎn)子在此方向相對(duì)于定子偏心,定、轉(zhuǎn)子間氣隙發(fā)生變化,這種氣隙偏心固定在某一位置,它不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變位置。動(dòng)偏心故障也屬于電機(jī)常見(jiàn)的故障類(lèi)型,動(dòng)偏心相當(dāng)于轉(zhuǎn)子中心從定子中心向某個(gè)方向偏移,但轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心沒(méi)有偏移,這種氣隙偏心隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生偏心故障時(shí),會(huì)影響到氣隙磁場(chǎng),所以對(duì)氣隙磁場(chǎng)加以監(jiān)測(cè),將是電機(jī)故障檢測(cè)的一個(gè)可行的方法。如在氣隙中安放探測(cè)線圈,通過(guò)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就可以知道氣隙磁場(chǎng)的變化情況。

文獻(xiàn)[1]提出一種在電機(jī)電樞繞組槽內(nèi)設(shè)置三組探測(cè)線圈(三組探測(cè)線圈在空間位置互差120度)的方式來(lái)檢測(cè)電機(jī)偏心故障的發(fā)生。

這樣做可以減小故障診斷系統(tǒng)的成本,減少相應(yīng)的電壓傳感器數(shù)量。該方法的檢測(cè)原理為:當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),旋轉(zhuǎn)的氣隙磁場(chǎng)會(huì)在三104個(gè)探測(cè)線圈中產(chǎn)生電壓,通過(guò)檢測(cè)各個(gè)線圈電壓的幅值和波形,可以得知?dú)庀洞艌?chǎng)的變化,進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)電機(jī)故障的目的。這種線圈能免受高頻諧波的干擾,故障特征明顯,因此非常適合由逆變器供電的電機(jī)系統(tǒng),另外,這種方法不需要知道電機(jī)的參數(shù)。由于探測(cè)線圈直接檢測(cè)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng),該方法的診斷結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生靜偏心故障時(shí),電機(jī)的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)遭到破壞,各個(gè)探測(cè)線圈下的氣隙長(zhǎng)度將變得各不相同,各個(gè)探測(cè)線圈下的氣隙磁通也將發(fā)生變化??拷鼩庀堕L(zhǎng)度減少的一側(cè)的探測(cè)線圈氣隙磁通將增大,而靠近氣隙長(zhǎng)度增大的一側(cè)的探測(cè)線圈氣隙磁通將減小。這必然導(dǎo)致各探測(cè)線圈中的感應(yīng)電壓幅值的不同,可以根據(jù)各線圈電壓幅值的大小,判斷電機(jī)是否發(fā)生靜偏心故障。

而當(dāng)電機(jī)發(fā)生動(dòng)偏心故障時(shí),定、轉(zhuǎn)子間氣隙不再呈均勻分部,而在空間中隨轉(zhuǎn)子位置旋轉(zhuǎn)而周期性的變化。如果忽略高次諧波,則電機(jī)各探測(cè)線圈下的磁導(dǎo)率是轉(zhuǎn)子位置的函數(shù),如式(1)所示。

3.3失磁故障分析

永磁材料具有失磁特性,當(dāng)嵌入電機(jī)內(nèi)作為勵(lì)磁磁極后,受電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫度、電樞反應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)以及其它因素的綜合影響,永磁體發(fā)生不可逆失磁的風(fēng)險(xiǎn)增加,導(dǎo)致電機(jī)的性能下降甚至使電機(jī)停轉(zhuǎn)。而永磁體發(fā)生不可逆失磁故障的原因大部分可以歸結(jié)為兩個(gè)因素:電樞反應(yīng)沖擊電流產(chǎn)生的去磁磁勢(shì)和運(yùn)行溫度的升高。永磁同步電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí),通常會(huì)把空載反電動(dòng)勢(shì)E0設(shè)置在一個(gè)合理的范圍,以便節(jié)省永磁材料、提高功率因素和電機(jī)效率。

電機(jī)制成后,也可以通過(guò)調(diào)節(jié)供電電壓來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率和功率因素。而當(dāng)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變即輸出功率不變時(shí),不計(jì)輸入電壓和空載反電動(dòng)勢(shì)E0變化引起的定子鐵耗和附加損耗的變化,則電磁功率也不變。當(dāng)供電電壓不變時(shí),為保證電磁功率不變,永磁體發(fā)生失磁故障后,E0將會(huì)減小,隨之而來(lái)的就是功角和電樞電流的增大,實(shí)際上,隨著電機(jī)不可逆失磁的產(chǎn)生,電機(jī)的鐵損和銅損都會(huì)增加,電機(jī)效率會(huì)明顯下降。

永磁體發(fā)生失磁有可能是局部的,也有可能是均勻的。為了模擬電機(jī)發(fā)生失磁故障狀態(tài),將電機(jī)的每一個(gè)瓦片形磁極任意分為A、B、C、D、E共5塊大小不等的小磁極,將不同磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的永磁材料分配給每一塊小區(qū)域,用以模擬失磁故障的發(fā)生。

通過(guò)表3可以分析電機(jī)失磁后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值、頻譜以及其它參數(shù)的變化。從正常和故障情況下電機(jī)的空載特性對(duì)比來(lái)看,當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí),不可逆失磁發(fā)生的位置及失磁程度不相同時(shí),空載反電動(dòng)勢(shì)的幅值E0在失磁故障狀態(tài)下都是減少的,同時(shí)進(jìn)一步分析得到隨著故障程度的增加,反電勢(shì)的正弦總諧波畸變率THD有所增加。但因磁極仍然對(duì)稱(chēng),且采用分布短矩繞組,電勢(shì)波形仍然保持較好的正弦性。對(duì)于額定負(fù)載狀態(tài)下失磁故障對(duì)電機(jī)參數(shù)性能的影響,通過(guò)有限元結(jié)果可以看出,電機(jī)產(chǎn)生不可逆退磁后,除電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)E0減小外,其它參數(shù)包括定子電流、電機(jī)損耗以及功角都增加,電機(jī)的效率和穩(wěn)定性都有所下降。

3.結(jié)語(yǔ)

本文分析了永磁同步電機(jī)的各類(lèi)常見(jiàn)故障的工況的發(fā)生,為永磁同步電機(jī)的早期和實(shí)時(shí)故障診斷提供了一定的理論依據(jù)和思路??上У氖悄壳吧腥鄙傧嚓P(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可以進(jìn)一步研究電機(jī)的故障診斷技術(shù)。

作者:[李紹武,汪文文]

[[參考文獻(xiàn)]]

[1]YaoDa,MaheshKrishnamurthy.NovelFaultDiagnosticTechniqueforPermanentMagnetSynchronousMachinesUsingElectromagneticSignatureAnalysis.VehiclePowerandPropulsionConference(VPPC),IEEE,2010,Page(s):1-6)

[2]王秀和.永磁電機(jī)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.

[3]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[4]王秀和.異步永磁同步電動(dòng)機(jī)—理論、設(shè)計(jì)與測(cè)試[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[5]永磁同步電機(jī)定子匝間短路故障診斷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].微電機(jī),2013,46(2):1-4.

[6]張志艷,曹祥紅,馬宏忠,等.永磁同步電機(jī)均勻失磁故障分析[J].微電機(jī),2014,47(9):9-13.

[7]崔勝民,柏睿,崔淑梅.PMSM在abc坐標(biāo)下的建模及故障仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(7):178-180.

[8]楊存祥,牛云龍,張志艷.小波包分析在永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心故障中的應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2015,42(4):42-46.

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