基于半周反电势残差的永磁同步电机局部退磁故障诊断.pdf
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1、第 27 卷 第 7 期2023 年 7 月电 机与控 制学报ElectricMachinesandControlVol.27No.7Jul.2023 基于半周反电势残差的永磁同步电机局部退磁故障诊断高彩霞1,李炳锟1,陈昊2,司纪凯3,聂言杰4(1.河南理工大学 电气工程与自动化学院,河南 焦作 454003;2.河南理工大学 应急管理学院,河南 焦作 454003;3.郑州大学 电气工程学院,河南 郑州 450001;4.陕西汉德车桥有限公司,陕西 西安 710201)摘 要:永磁体退磁故障的精准定量诊断,对于预防电机发生灾难性故障和系统运行维护策略的制定至关重要。为实现退磁永磁体定位及程
2、度评估,本文提出了一种基于半周反电动势残差的局部退磁故障诊断方法。在定子槽内安装一个探测线圈,提取其反电动势残差信号并进行分区;将分区后的反电动势残差峰值作为特征量进行退磁故障类型识别,进而确定相邻两个永磁体的健康状态及退磁程度,利用一个旋转周期的信号确定所有永磁体的状态,具有侵入性小、计算量小和精确度高的特点。首先,介绍了探测线圈的安装及检测机理,建立了永磁同步电机退磁故障下的探测线圈半周反电动势残差数学模型;然后,提出了考虑支路环流的反电动势残差提取算法,有效提高了探测线圈反电动势残差提取的精确度;最后,建立了反电动势残差峰值与退磁永磁体位置及退磁程度的映射关系,并提出了退磁永磁体定位及程
3、度评估算法,实现了永磁同步电机局部退磁故障的精准定量诊断。仿真和实验结果验证了所提方法的正确性和准确性。关键词:永磁同步电机;局部退磁;故障定位;程度评估;数学模型;探测线圈;反电势残差DOI:10.15938/j.emc.2023.07.019中图分类号:TM351文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)07-0183-12 收稿日期:2021-05-25基金项目:国家自然科学基金(52177039);河南理工大学博士基金(B2021-22,B2018-48);河南省科技攻关项目(222102220017)作者简介:高彩霞(1981),女,博士,教授,研究方向为电机状态监测与故
4、障诊断、特种电机理论及控制等;李炳锟(1998),男,硕士研究生,研究方向为电机故障诊断;陈 昊(1979),男,博士,副教授,研究方向为机电一体化技术;司纪凯(1973),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为特种电机理论及控制、电机节能及新能源发电技术等;聂言杰(1991),男,硕士,研究方向为信号处理与设备故障诊断技术。通信作者:陈 昊Local demagnetization fault diagnosis of permanent magnetsynchronous motor based on half-period back EMF residualGAO Caixia1,LI
5、Bingkun1,CHEN Hao2,SI Jikai3,NIE Yanjie4(1.School of Electrical Engineering and Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.School ofEmergency Management,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;3.School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,Chin
6、a;4.Shaanxi Hande Axle Co.,Ltd.,Xian 710201,China)Abstract:Accurate quantitative diagnosis of permanent magnet demagnetization fault is essential for pre-vention of catastrophic motor fault and formulation of system operation and maintenance strategies.In or-der to realize the demagnetization perman
7、ent magnet location and degree evaluation,a local demagnetiza-tion fault diagnosis method was proposed based on half-period back electromotive force(EMF)residual.In the method,a search coil was installed in the stator slot to extract its EMF residual signal and partitionit;the partitioned EMF residu
8、al peak value was used as a characteristic quantity for demagnetization faulttype identification,which in turn determines the healthy conditions of two adjacent permanent magnetsand the demagnetization degree,using the signal of one rotation period to determine the status of all per-manent magnets.T
9、he proposed method is less invasive,less computationally intensive and highly accu-rate.The installation and detection mechanism of search coil was introduced,and the mathematical mod-el of search coil half-period back EMF residual was established under demagnetization fault of permanentmagnet synch
10、ronous motor(PMSM).Then,an algorithm was proposed to extract the EMF residual con-sidering the branch circulating current,which effectively improves accuracy of the search coil EMF resid-ual extraction.Finally,the mapping relationship between the EMF residual peak value and the locationand demagneti
11、zation degree of demagnetization permanent magnet was established,and an algorithm forlocation and degree evaluation of demagnetization permanent magnet was proposed to achieve accuratequantitative diagnosis of local demagnetization fault in PMSM.Simulation and experimental results verifycorrectness
12、 and accuracy of the proposed method.Keywords:permanent magnet synchronous motor;local demagnetization;fault location;degree evalua-tion;mathematical model;search coil;back EMF residual0 引 言永磁同步电机(permanent magnet synchronousmotor,PMSM)具有功率密度高、效率高、易于控制等优点1,广泛应用于矿井提升机、电动汽车、航空航天、国防军工等领域2-3。永磁体作为 PMSM
13、的重要组成部分,其磁场分布直接影响 PMSM 的输出性能。然而,永磁体受高温、电枢反应、酸碱腐蚀等因素影响容易发生退磁故障4。早期微弱故障对电机影响较小,但故障范围和程度会随着时间的推移而增加,最终对电机及其系统造成严重损害5,甚至威胁设备及人身的安全。早期故障检测可以及时发现故障并采取措施,有效防止故障恶化。早期故障定位及程度评估可以为故障风险评估、容错控制策略、维修规划策略的制定提供重要信息,以实现系统的安全可靠运行。因此,PMSM 永磁体早期退磁故障定位及程度评估的研究具有重要意义。退磁故障会改变磁场分布,引起气隙磁通密度的减小和畸变,并反映在反电动势上。因此,气隙磁通密度和反电动势包含
14、了诊断退磁故障重要的信息。因此,基于磁信号的方法是电机退磁故障定量诊断的主流方法。测量电机不同部位的磁通对故障的精准定量诊断至关重要。常用的测量磁通的传感器有磁通门传感器、霍尔传感器和高斯计等。文献6在电机外壳上安装磁通门传感器检测定子轭外部的漏磁场,利用漏磁场诊断退磁故障。磁通门传感器的紧凑性使其更容易安装,但其测量精确度容易受到外部电磁信号的影响。文献7-9在电机转子与端盖之间安装霍尔传感器检测电机的漏磁场。虽然霍尔传感器的输出信号不受噪音影响,但这种方法需要较大的安装空间。文献7 和文献8利用漏磁通峰值的变化区分转子和负载缺陷。文献9通过漏磁通的峰峰值和 THD 诊断退磁永磁体的位置。基
15、于电机内部或外部漏磁场的故障诊断方法能够识别不同的故障类型并找出故障的位置,且不受定子绕组或电机拓扑结构的影响。但漏磁通信号较弱,在定量诊断电机早期故障时精确度较低。为了提高早期故障诊断的灵敏度和准确性,有学者提出通过检测气隙磁场变化,来诊断退磁永磁体的位置及退磁程度。文献10和11在电机气隙中安装高斯计测量气隙磁场,实现对退磁永磁体位置和退磁程度的诊断。该方法虽然可以直接测量磁场,但需要拆卸电机,不适用于在线故障诊断。为了实现在线诊断,有学者提出借助探测线圈来检测磁场。文献12-14在电机每个定子齿上安装探测线圈。文献12通过提取齿磁通的故障特征检测退磁和偏心故障的位置及故障程度。文献13采
16、用定子齿磁通中的高次谐波诊断匝间短路故障位置及故障程度。文献14通过定子齿磁通中的感应电势区分多个故障,并检测故障位置及故障程度。基于探测线圈的退磁故障诊断方法不受 PWM 谐波、负载大小和电机参数的影响。但对于极数较多的永磁电机,需要在每个定子齿上安装探测线圈,侵入性较大,并且增加了电机的体积及安装的复杂程度。为了在较小的侵入性和复杂性的约束下,实现481电 机 与 控 制 学 报 第 27 卷PMSM 局部退磁故障的精准定量诊断,本文提出一种基于半周反电动势残差的退磁永磁体定位及程度评估方法。首先,建立退磁故障下探测线圈半周反电动势残差数学模型;其次,提出考虑支路环流的反电动势残差提取算法
17、;然后,将探测线圈反电动势残差信号的解析结果与有限元结果进行对比分析,验证所建立模型的正确性;最后,利用探测线圈半周反电动势残差数学模型研究预设故障类型下其峰值与退磁永磁体位置及退磁程度的映射关系,并提出退磁永磁体定位及程度评估算法,实现 PMSM 局部退磁故障的精准定量诊断。仿真和实验结果验证了该方法的正确性和准确性。1 探测线圈的检测机理探测线圈的布置如图 1 所示。图 1 探测线圈的布置Fig.1 Arrangement of search coil在 PMSM 定子槽内安装一个探测线圈 SC,SC的两条有效边分别位于两个连续永磁体对应的定子槽内。为了使探测线圈获得最大的输出电压,SC
18、的节距尽量接近极距。探测线圈的两端与一台高阻抗电压测量仪相连,内部几乎没有电流流动,不会影响电机的正常运行。转子永磁体发生退磁故障后,故障磁极磁场减弱。当故障磁极扫过探测线圈时,探测线圈所感应的反电动势小于正常磁极扫过探测线圈的反电动势。因此,反电动势可作为永磁体退磁故障诊断的特征信号。1.1 退磁故障下探测线圈反电动势建模如图 1 所示,依次对每个永磁体进行编号。将1 号永磁体和 2p 号永磁体的几何中心线与探测线圈的 轴 线 首 次 重 合 时 作 为 初 始 时 刻。根 据 文献15,当 i 号永磁体退磁时,探测线圈的反电动势为esc(i)(t)=Essin(2ft)(1-i(12p+k
19、=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i-1)k2p)-sin(2ft-)(1-i(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i-1)k2p-)。(1)式中:p 为极对数;f 为频率;Q 为定子槽数;Es为反电动势基波幅值;i 为永磁体的编号;为探测线圈两个有效边的空间电角度;i为 i 号永磁体的退磁程度,0i1,永磁体健康状态下 i=0;永磁体完全退磁时 i=1;随着退磁程度增加,i越来越接近 1。在实际运行中,电机可能工作在某一转速范围内。为了消除转速对反电动势幅值的影响,将探测线圈的反电动势进行归一化处理,即xnorm=xk-xminxmax-xmin。(2)式中:
20、xnorm为归一化后的反电动势;xk、xmin和 xmax分别为反电动势的原始值、最小值和最大值。图 2 为 i 号和 i+1 号永磁体分别退磁 50%时,归一化后的探测线圈反电动势。图 2 探测线圈反电动势的波形Fig.2 Waveform of search coil back EMF由图 2 可知,当 i 号永磁体退磁 50%时,区间(i-1),(i+1)的探测线圈反电动势幅值比健康状态减少了 50%。而 i+1 号永磁体退磁 50%时,区间i,(i+2)的探测线圈反电动势幅值比健康状态减少了 50%。为了消除永磁体健康状态与退磁故障状态时的相同特征,突显故障信号,将永磁体健康状态的反电
21、动势减去退磁故障的反电动势,得到退磁故障时的探测线圈反电动势残差。由式(1)得到 i 号永磁体退磁时的探测线圈反电动势残差为581第 7 期高彩霞等:基于半周反电势残差的永磁同步电机局部退磁故障诊断eres(i)(t)=iEssin(2ft)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i-1)k2p)-sin(2ft-)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i-1)k2p-)。(3)将式(3)中的 i 用 i+1 代入,得到 i+1 号永磁体退磁时的探测线圈反电动势残差为eres(i+1)(t)=i+1Essin(2ft)(12p+k=12ksin(k2p)c
22、os(kftp-(2i+1)k2p)-sin(2ft-)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i+1)k2p-)。(4)图 3 为 i 号和 i+1 号永磁体分别退磁 50%的探测线圈反电动势残差。图 3 探测线圈反电动势残差的波形Fig.3 Waveform of search coil back EMF residual由图 3 可以看出,i 号、i+1 号永磁体退磁均对区间i,(i+1)的波形造成影响。因此,该区间的反电动势残差波形取决于 i 号和 i+1 号两块永磁体的健康状态。根据叠加原理,将式(3)加式(4)可以得到探测线圈在区间i,(i+1)的反电势残差为er
23、es-i(t)=eres(i)(t)+eres(i+1)(t)=iEssin(2ft)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i-1)k2p)-sin(2ft-)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i-1)k2p-)+i+1Essin(2ft)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i+1)k2p)-sin(2ft-)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i+1)k2p-)。(5)式中:eres-i为第 i 个半周区间i,(i+1)的探测线圈反电势残差(本文中,永磁体编号和区间编号为相同,比如 i 表示第 i 个永磁
24、体的编号和第 i 个区间编号;半周区间的长度为;当 i 取不同的值时,eres-i表示不同的半周区间反电动势残差)。这里以探测线圈作为参考线圈进行建模,由于探测线圈为单线圈,故通过相移式(5)电角度,就可以很容易得到其他位置单线圈在区间i,(i+1)的反电势残差为eres-c(t)=iEssin(2ft-)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i-1)k2p-)-sin(2ft-)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i-1)k2p-)+i+1Essin(2ft-)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i+1)k2p-)-sin(2f
25、t-)(12p+k=12ksin(k2p)cos(kftp-(2i+1)k2p-)。(6)681电 机 与 控 制 学 报 第 27 卷式中 为单线圈与探测线圈之间的空间电角度。1.2 未考虑环流影响的反电动势残差提取将电机健康状态下探测线圈的反电动势减去实时获取的反电动势,得到探测线圈反电动势残差为eres(t)=esch(t)-escr(t)。(7)式中:eres(t)、esch(t)、escr(t)分别为探测线圈反电动势残差、电机健康状态下的探测线圈反电动势和实时获取的探测线圈反电动势。为了详细说明探测线圈反电动势残差信号的提取过程,以一台 66 极 72 槽的直驱永磁同步电机(DDPM
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