發(fā)布時間：2020-07-25 20:21

【摘要】：近年,永磁同步電機開始應用在高鐵、磁懸浮等調(diào)速場合,它們的可靠運行對人類社會的生產(chǎn)和生活有著愈發(fā)重要的意義,因此研究針對永磁同步電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法具有非�，F(xiàn)實的必要性。作為常見的電機故障之一,轉(zhuǎn)子偏心導致不平衡磁拉力,如果沒有及時發(fā)現(xiàn)或采取有效的維護措施,不平衡磁拉力會加重偏心程度,最終導致定轉(zhuǎn)子碰撞。碰撞的機械應力可能損傷定子絕緣和轉(zhuǎn)子磁鋼,進而使問題惡化。因此,本文以一種電動汽車用內(nèi)嵌式永磁同步電機為研究對象,針對內(nèi)嵌式永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)運行工況,從偏心電機建模、基于模型的故障診斷,和基于高級信號數(shù)據(jù)處理技術的故障診斷這三個方面深入研究了內(nèi)嵌式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子偏心故障診斷方法。在偏心電機建模方面,針對P對極分布繞組的內(nèi)嵌式永磁同步電機,本文采用改進繞組函數(shù)法,建立了能夠模擬轉(zhuǎn)子偏心故障的電機模型。所建立的模型得到了二維有限元仿真結果的驗證。通過仿真分析靜態(tài)偏心、動態(tài)偏心和混合偏心三種狀態(tài)下定子電感、永磁體磁鏈和定子繞組空載反電勢的變化,確認只有混合偏心才能在電機電流中產(chǎn)生偏心故障特征,并發(fā)現(xiàn)定子電感的畸變是電機電流出現(xiàn)偏心故障諧波的最主要根源。此外,所建立的仿真模型被用于檢驗文中后續(xù)提出的故障診斷方法的可行性,以及預測診斷效果。針對內(nèi)嵌式永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)運行工況,本文依次從頻域和時域,提出了兩種基于模型的在線偏心故障診斷方法。首先,本文針對內(nèi)嵌式永磁同步電機,提出了基于無近似展開改進繞組函數(shù)法的電感模型,以更加準確地分析定子電感與轉(zhuǎn)子偏心度之間的定量關系。所提出的模型能夠考慮實際定子繞組的分布結構,而且不需要對匝函數(shù)和偏心函數(shù)作近似展開就能實現(xiàn)定子電感的計算。然后,利用所提出的定子電感模型,本文從頻域的角度深入研究了 dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下定子電感的偏心特征分別與偏心度和初始偏心角的定量關系,在dq坐標系提出了偏心故障下的電感矩陣表達式。在此基礎之上,受到無位置傳感器控制技術的啟發(fā),隨后提出了一種基于高頻d軸電感波動的在線頻域偏心故障診斷方法,解決了現(xiàn)有文獻中基于激勵注入的偏心故障診斷方法僅能用于離線電機的不足。該方法有兩個顯著優(yōu)勢。其一,在滿足電流傳感器精度的前提下,所注入的高頻正弦脈振電壓幅值越低,診斷效果越好,因此對系統(tǒng)運行的影響較小。其二,該方法不會混淆偏心和(局部)退磁故障,其故障指標能顯著區(qū)分轉(zhuǎn)子偏心度,結合對永磁體磁鏈幅值的估計,可以同時診斷轉(zhuǎn)子偏心故障和永磁體退磁故障。盡管該方法不需要電機離線,但它需要對實時估算的高頻d軸電感做快速傅里葉變換(FFT),而目前面向電機控制的嵌入式數(shù)字信號處理器(DSP)因存儲空間和計算速率的限制,其FFT結果往往達不到故障診斷的要求,影響診斷的實時性。使得最后的頻譜分析需要借助上位機或附加專用芯片實現(xiàn)。因此,為了能夠?qū)崿F(xiàn)完全實時的偏心狀態(tài)監(jiān)測方法,本文繼續(xù)將前述提出的偏心故障下的電感矩陣表達式從dq坐標系變換到aβ靜止坐標系,然后利用電流矢量瞬態(tài)變化軌跡,提出了用于診斷內(nèi)嵌式永磁同步電機偏心故障的倒瞬態(tài)復電感矢量理論以及一種特殊的高頻電壓序列注入方法,最終實現(xiàn)了純時域且實時可視化的電機偏心狀態(tài)在線監(jiān)測方法。該方法擺脫了對FFT依賴,僅需要若干步的代數(shù)運算,能夠完全由DSP執(zhí)行,不會給DSP增加負擔。該方法的偏心故障指標的絕對值與總體偏心度成正相關,而且能顯著區(qū)分偏心故障和退磁故障。由于該方法的時域矢量軌跡圖會隨電機轉(zhuǎn)速的升高而畸變,因此該方法更適用于電機低速運行工況的偏心診斷。鑒于前述基于模型的方法僅能用于電機穩(wěn)態(tài)運行場合,而非穩(wěn)態(tài)運行場合的診斷一般需要使用信號處理技術實現(xiàn),因此針對內(nèi)嵌式永磁同步電機的非穩(wěn)態(tài)運行工況,本文提出了一種基于高級信號數(shù)據(jù)處理技術的故障診斷方法。首先,本文對一類高精度參數(shù)估計方法進行改進,將高精度參數(shù)估計方法從頻域拓展到了時頻域,提出了一種自適應短時細化矩陣束的時頻分析方法,用于診斷非穩(wěn)態(tài)運行工況的偏心故障。該方法能夠在任何工況下都保持高計算效率,不需要人工調(diào)整參數(shù)。其次,在轉(zhuǎn)速和負載有波動的似穩(wěn)態(tài)工況,高精度參數(shù)估計方法會出現(xiàn)估計結果不一致的問題。為了解決這一問題,本文通過引入蒙特卡洛估計和分布擬合,提出了一種故障特征提取方法,用于對時頻分析方法產(chǎn)生的大量估計樣本做進一步數(shù)據(jù)處理,最終獲得近似無偏的故障特征頻率和幅值。整個方法不僅可以用于檢測轉(zhuǎn)子偏心故障,還可以用于檢測其它轉(zhuǎn)子故障。同時該方法也繼承了信號處理技術的不足,即,診斷過程計算量大,需要在上位機實現(xiàn),而且不能區(qū)分偏心和局部退磁故障,需要和基于模型的方法結合使用。本文所提出的三種方法具有各自的優(yōu)點和不足,適用于不同的運行場合和需求。提出的全部理論和方法的正確性和有效性均得到了仿真和實驗的充分驗證。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM341
【圖文】：

旋轉(zhuǎn)電機偏心故障的分析方法是相同的。轉(zhuǎn)子偏心一般被理想化地筒化為靜態(tài)偏心、逡逑動態(tài)偏心和混合偏心三種狀態(tài)［１２］。靜態(tài)偏心是指：轉(zhuǎn)子圓心未與定子圓心重合，且轉(zhuǎn)子僅逡逑圍繞轉(zhuǎn)子圓心旋轉(zhuǎn)，如圖ｌ－ｌ（ａ）。動態(tài)偏心是指：轉(zhuǎn)子圓心未與定子圓心重合，在轉(zhuǎn)子圍逡逑繞轉(zhuǎn)子圓心旋轉(zhuǎn)的同時，轉(zhuǎn)子圓心圍繞定子圓心旋轉(zhuǎn)，分別類似于自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，如圖１－Ｕｂ）。逡逑混合偏心表示靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心的線性疊加：轉(zhuǎn)子圓心未與定子圓心重合，在轉(zhuǎn)子圍繞逡逑轉(zhuǎn)子圓心旋轉(zhuǎn)的同時，轉(zhuǎn)子圓心還圍繞一個點旋轉(zhuǎn)，但這個點不是定子圓心，如圖ｌ－ｌ（ｃ）。逡逑真實的轉(zhuǎn)子偏心狀態(tài)是復雜多變的，例如，沿軸向傾斜的偏心狀態(tài)、軸彎曲的偏心狀態(tài)，逡逑等。為了簡化分析，真實電機的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸整體的質(zhì)心可以被等效為轉(zhuǎn)子的圓心，然后用逡逑上述三種狀態(tài)之一表示。因為在實際中靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心或多或少都會同時存在，因此逡逑混合偏心是這三種理想偏心狀態(tài)里最貼近真實偏心故障的狀態(tài)。逡逑６逡逑

為實驗祥機建立ｐ心。度，本章在ＡＮＳＹＳ邋Ｍａｘｗｅｌｌ平臺建立了實驗樣機的二維有限元模型。有限元仿真驗證了逡逑所搭建模型的正確性和有效性。為了找出定子相電流產(chǎn)生偏心故障特征的根本原因，所建逡逑立的偏心電機模型被嵌入在ＭＡＴＬＡＢ？／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ？平臺的仿真閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。仿真結逡逑果表明，靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心并不會在電機電流中偏心故障特征，而混合偏心會引起定子逡逑電感畸變，而定子電感畸變才是電機電流中產(chǎn)生偏心故障特征的根源。逡逑２．２氣隙函數(shù)和倒氣隙函數(shù)逡逑在應用ＭＷＦＡ之前，需要做如下假設：逡逑ｉ．磁通徑向穿過氣隙，不計漏磁通，忽略隔磁磁橋的影響，逡逑ｉｉ．磁飽和忽略不計，逡逑ｉ邋ｉ邋ｉ．定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的磁阻忽略不計，逡逑ｉｖ．齒槽效應忽略不計。逡逑

逑２．２．１正常電機逡逑正常電機的氣隙沿圓周對稱分布，如圖２－ｌ（ａ）所示。札＝０時，氣隙分布（用函數(shù)ｇ逡逑表示）和倒氣隙分布（用函數(shù)＃表示）的簡化波形如圖２－２所示。逡逑＞邋Ｉ邋Ｓｔ邋Ｎ２邋Ｓ２邋Ｎ３邋Ｓ３邋Ｎ４邋Ｓ４邋Ｎｉｌ逡逑Ｉ：；＾ｉｎｒ＾ｎｒ＾ｎｎ逡逑邐邐邐＾逡逑0邐；邐ｉｆｋ＇ｒａｄ逡逑：：ｌｌＬｌＵＵＵＵＵＵＬ逡逑０邐：邐：邐ｃｐ／ｒａｄ逡逑Ｔ邋＇邋２花邐，；逡逑ｔ＾邋＝邋Ｔｐ邐ｌ７ｒ逡逑圖２－２正常內(nèi)嵌式永磁同步電機的簡化氣隙分市（上）和倒氣隙分布（下）逡逑圖中邋勘一定轉(zhuǎn)子表面之間的氣Ｐgq長度，逡逑ｈｍ——永磁體磁鋼厚度，逡逑ｇｈ邐ｇｈ邋＝助邋＋邋辦ｍ逡逑（Ｐ—定子側(cè)空間機械角度，逡逑Ｐ——極對數(shù)，逡逑ｒｉｇ邐極距角，逡逑Ｔ—極距角與極弧角之差。逡逑可見＝邋０時的氣隙分布和倒氣隙分市是關于變量Ｐ的周期偶函數(shù)，因此倒氣隙分布逡逑函數(shù)ｇ＇勿的Ｆｏｕｉｅｒ級數(shù)形式為逡逑ｃｏ逡逑＾＇（＾）邋＝邋0）＋邋（ａｋ邋ｃｏｓ（ｋｃｏ

【參考文獻】

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1 王臻;李承;張舜欽;王蕾;陳旭;李惠章;;基于改進矩陣束濾波與檢測的異步電動機故障診斷新方法[J];電工技術學報;2015年12期

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本文編號：2770318