一種適用于永磁電機轉子的故障診斷方法與流程

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本發明屬于故障診斷技術領域，尤其是一種適用于永磁電機轉子的故障診斷方法。

背景技術：

永磁電機具有功率密度高、效率高、易于控制等優點。近年來，在風力發電、電動汽車、數控機床等領域得到了廣泛關注和應用。永磁轉子是永磁電機中最關鍵的部件之一，它關系到電機的性能、效率及可靠運行。但是，電機在運行過程中，其永磁轉子可能會出現局部退磁、均勻退磁以及偏心故障。為了確保系統高效可靠地運行，有必要監測永磁電機的退磁和偏心故障。

目前，已經提出了一些能夠用于診斷永磁電機退磁和偏心故障的診斷方法，其中最常用的方法是基于電機定子電流信號的分析方法。該方法根據電機電流中是否存在某些頻率分量來判斷電機是否存在故障。但是，該方法存在一些不足，主要包括：1)局部退磁在某些定子繞組結構下并不會產生新的頻譜分量；2)負載波動、偏心和局部退磁產生的故障特征頻率相同，很難從電機頻譜角度將他們區分開來。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種適用于永磁電機轉子的故障診斷方法。該方法簡單，易于實現，可以有效地診斷并聯支路數大于1的永磁電機是否存在轉子故障。同時，該方法能夠區分局部退磁、均勻退磁及偏心故障。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種適用于永磁電機轉子的故障診斷方法，包括以下步驟：

(1)將被測試電機和負載脫開，通過逆變器控制被測試的永磁電機，使其轉速ω₁為額定轉速的一半左右(40％～60％)，并測量電機的線電壓和線電流，根據線電壓和線電流得到電機的輸入功率，即得到轉速ω₁下的空載損耗p_T1；

(2)根據電機的空載損耗p_T1計算轉速ω₁下的空載損耗增加系數k₁。

其中，p_H1為電機正常時，轉速ω₁下的空載損耗；

若k₁≥Thr₁，則被測試電機存在偏心故障，Thr₁為偏心閾值；空載損耗增加系數k₁越大，偏心故障越嚴重。

進一步地，所述Thr₁為5％。

進一步地，該方法還包括退磁故障的判斷，具體為：

當k₁<Thr₁，將被測試電機和負載脫開，通過逆變器控制被測試的永磁電機，使運行于一個較低的轉速ω₂，并測量電機的線電壓和線電流，根據線電壓和線電流得到電機的輸入功率，即得到轉速ω₂下的空載損耗p_T2；

根據電機的空載損耗p_T2計算轉速ω₂下的空載損耗增加系數k₂。

其中，p_H2為電機正常時，轉速ω₂下的空載損耗；

k₂≥Thr₂，則認為電機存在局部退磁故障，Thr₂為退磁閾值；k₂越大，局部退磁故障越嚴重。

若k₂<Thr₄，且k₁<Thr₃,則認為電機存在均勻退磁故障，k₂越大，均勻退磁故障越嚴重。

進一步地，所述Thr₂為5％。所述Thr₃為-5％，Thr₄為1％。

進一步地，所述ω₂為100～300轉每分。

進一步地，所述步驟(1)中，所述永磁電機的額定轉速為3000轉每分，ω₁為1200轉每分。

本發明的有益效果在于：本發明提供的轉子故障診斷方法計算簡單，易于實現，不需要電機的參數；不僅能夠判斷電機轉子是否故障，還能區分局部退磁、均勻退磁及偏心故障。

附圖說明

圖1為本發明的實驗裝置圖；

圖2為永磁電機轉子故障診斷的流程圖。

具體實施方式

為了更加具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式對本發明的技術方案進行詳細說明。

圖1給出了本發明的實驗裝置圖。將電機和負載脫開，然后利用驅動器將電機分別驅動到低速和中速。利用電壓和電流傳感器獲取電機的線電壓和線電流，并據此計算出電機的空載損耗。利用被測電機的空載損耗和正常電機的空載損耗，可判斷出永磁電機的轉子故障與否及故障類型。

當電機的每極每相槽數q為整數時，電機的局部退磁故障并不會在電機的相電流中引入新的故障特征分量。但是，如果永磁電機的并聯支路數大于1，則電機的并聯支路之間會產生較大的環流，他們的頻率為

式中，n是奇數，p是電機的極對數，f₁是電機的基波頻率。

分析電機環流可以有效診斷電機的轉子故障。然而，不能從電機外部測量電機的環流。環流會增大電機的損耗。根據永磁電機的基礎知識可知，永磁電機的損耗主要包括鐵芯損耗、銅耗、永磁體的渦流損耗、風磨耗、控制器引起的諧波損耗等。

正常的永磁電機空載低速運行時，電機的鐵耗、渦流損耗及風磨耗較小，銅耗非常小。當電機發生局部退磁故障時，由于電機的運行頻率較低，所以環流產生的銅耗成為主要的損耗增加部分。由于此時電機總的損耗很小，所以環流的銅耗會使局部退磁電機的空載損耗增加比例較大。因此，電機發生局部退磁故障時，其低速空載損耗增加系數k₁相對較大。隨著電機轉速提高，電機的鐵損會逐步加大，此時主要的損耗是電機的鐵損。局部退磁對鐵損的影響較小。盡管此時環流仍然會有一定的增加，但是其增加幅度與鐵損相比較小，因此電機的空載損耗增加比例會隨著電機轉速的增加逐步降低。因此，電機發生局部退磁故障時，其中速空載損耗增加系數相對較小。通過大量試驗表明，當電機在中速時空載損耗增加系數k₁<Thr₁且k₂≥Thr₂時，可認為電機發生了局部退磁故障，且Thr₁取5％，Thr₂取5％。

電機的偏心故障會使電機的并聯支路中產生環流。因此，電機空載低速運行時，其損耗增加系數也會大于零。當電機在中速運行時，由于電機的氣隙不均勻，因此電機部分鐵芯中的氣隙磁密增加，偏心使鐵損增加。此外，電機偏心時，由于單邊磁拉力的存在，電機的摩擦損耗增大。所以，偏心電機在中速運行時，其損耗增加系數相對較大。通過大量試驗表明，當電機在中速時空載損耗增加系數k₁≥Thr₁時，即可認為電機發生了偏心故障。

當電機發生均勻退磁時，電機的支路中不會產生環流，且電機中諧波含量也不會增加。電機發生均勻退磁時，由于電機磁密降低，電機在低速和中速時的空載損耗都會減小。考慮到電機在低速時總的損耗較小，較小的誤差就可能使空載損耗增加系數發生較大變化，因此可將低速的損耗增加系數的范圍適當放寬，主要通過中速時的損耗增加系數來判斷。通過大量試驗表明，當電機在中速時的空載損耗增加系數k₁<Thr₃且低速時的空載損耗增加系數k₂<Thr₄時，可認為電機發生了均勻退磁故障，且Thr₃取5％，Thr₄取1％。

從上面的分析可知，綜合考慮電機在低速和中速時的空載損耗增加系數可判斷電機是否存在故障。如果存在故障，還能判斷出電機的故障類型。

根據上述理論，本發明具體的實施步驟如圖2所示：

(1)將被測試電機和負載脫開。利用驅動器使被測電機運行于中速ω₁(選取為1200轉每分)，并測量電機的兩個線電壓和兩個線電流。其中兩個線電壓記為v_ba、v_ca，兩個線電流記為i_a，i_b。

(2)計算電機在低速時的空載損耗p_T1。其計算表達式為

p_T1＝v_aci_a+v_bci_b (4)

(3)根據正常電機在中速時(1200轉每分)的空載損耗p_H1，計算電機低速運行時的空載損耗增加系數k₁。其計算表達式為

其中，正常電機在中速時的空載損耗需提前測試得到。

(4)根據k₁判斷電機是否存在偏心故障。若k₁≥Thr₁，則認為電機發生偏心故障。空載損耗增加系數k₁越大，偏心故障越嚴重。其中，閾值Thr₁需通過實驗測試得到，一般可取5％。

(5)如果電機不存在偏心故障，即k₁<Thr₁，則利用驅動器使被測電機運行于低速(100轉每分)，并重復步驟(1)-(3)，得到電機低速時的空載損耗增加系數k₂。

根據系數k₁和k₂判斷電機是否存在退磁故障，并區分是局部退磁故障還是均勻退磁故障。其判斷方法為：(6A)若k₂≥Thr₂，則判斷被測試電機存在局部退磁故障。k₂越大，局部退磁故障越嚴重。其中，閾值Thr₂需通過實驗測試得到，一般可取5％。(6B)若k₁<Thr₃且k₂<Thr₄，則判斷電機為均勻退磁故障。k₂越大，均勻退磁故障越嚴重。其中，閾值Thr₃和Thr₄理論上應該是零。這兩個值也需要通過實驗測試得到。一般考慮到噪聲及低速時空載損耗很小等原因，Thr₄可適當放寬，取1％，而Thr₃可取為-5％。