本發(fā)明屬于故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種適用于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的故障診斷方法。

背景技術(shù)：

永磁電機(jī)具有功率密度高、效率高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。近年來，在風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。永磁轉(zhuǎn)子是永磁電機(jī)中最關(guān)鍵的部件之一，它關(guān)系到電機(jī)的性能、效率及可靠運(yùn)行。但是，電機(jī)在運(yùn)行過程中，其永磁轉(zhuǎn)子可能會(huì)出現(xiàn)局部退磁、均勻退磁以及偏心故障。為了確保系統(tǒng)高效可靠地運(yùn)行，有必要監(jiān)測(cè)永磁電機(jī)的退磁和偏心故障。

目前，已經(jīng)提出了一些能夠用于診斷永磁電機(jī)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(jī)定子電流信號(hào)的分析方法。該方法根據(jù)電機(jī)電流中是否存在某些頻率分量來判斷電機(jī)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(jié)構(gòu)下并不會(huì)產(chǎn)生新的頻譜分量；2)負(fù)載波動(dòng)、偏心和局部退磁產(chǎn)生的故障特征頻率相同，很難從電機(jī)頻譜角度將他們區(qū)分開來。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種適用于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的故障診斷方法。該方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以有效地診斷并聯(lián)支路數(shù)大于1的永磁電機(jī)是否存在轉(zhuǎn)子故障。同時(shí)，該方法能夠區(qū)分局部退磁、均勻退磁及偏心故障。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種適用于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的故障診斷方法，包括以下步驟：

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

(2)根據(jù)電機(jī)的空載損耗p_T1計(jì)算轉(zhuǎn)速ω₁下的空載損耗增加系數(shù)k₁。

其中，p_H1為電機(jī)正常時(shí)，轉(zhuǎn)速ω₁下的空載損耗；

若k₁≥Thr₁，則被測(cè)試電機(jī)存在偏心故障，Thr₁為偏心閾值；空載損耗增加系數(shù)k₁越大，偏心故障越嚴(yán)重。

進(jìn)一步地，所述Thr₁為5％。

進(jìn)一步地，該方法還包括退磁故障的判斷，具體為：

當(dāng)k₁<Thr₁，將被測(cè)試電機(jī)和負(fù)載脫開，通過逆變器控制被測(cè)試的永磁電機(jī)，使運(yùn)行于一個(gè)較低的轉(zhuǎn)速ω₂，并測(cè)量電機(jī)的線電壓和線電流，根據(jù)線電壓和線電流得到電機(jī)的輸入功率，即得到轉(zhuǎn)速ω₂下的空載損耗p_T2；

根據(jù)電機(jī)的空載損耗p_T2計(jì)算轉(zhuǎn)速ω₂下的空載損耗增加系數(shù)k₂。

其中，p_H2為電機(jī)正常時(shí)，轉(zhuǎn)速ω₂下的空載損耗；

k₂≥Thr₂，則認(rèn)為電機(jī)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(yán)重。

若k₂<Thr₄，且k₁<Thr₃,則認(rèn)為電機(jī)存在均勻退磁故障，k₂越大，均勻退磁故障越嚴(yán)重。

進(jìn)一步地，所述Thr₂為5％。所述Thr₃為-5％，Thr₄為1％。

進(jìn)一步地，所述ω₂為100～300轉(zhuǎn)每分。

進(jìn)一步地，所述步驟(1)中，所述永磁電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)每分，ω₁為1200轉(zhuǎn)每分。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的轉(zhuǎn)子故障診斷方法計(jì)算簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，不需要電機(jī)的參數(shù)；不僅能夠判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子是否故障，還能區(qū)分局部退磁、均勻退磁及偏心故障。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置圖；

圖2為永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了更加具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1給出了本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置圖。將電機(jī)和負(fù)載脫開，然后利用驅(qū)動(dòng)器將電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)到低速和中速。利用電壓和電流傳感器獲取電機(jī)的線電壓和線電流，并據(jù)此計(jì)算出電機(jī)的空載損耗。利用被測(cè)電機(jī)的空載損耗和正常電機(jī)的空載損耗，可判斷出永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子故障與否及故障類型。

當(dāng)電機(jī)的每極每相槽數(shù)q為整數(shù)時(shí)，電機(jī)的局部退磁故障并不會(huì)在電機(jī)的相電流中引入新的故障特征分量。但是，如果永磁電機(jī)的并聯(lián)支路數(shù)大于1，則電機(jī)的并聯(lián)支路之間會(huì)產(chǎn)生較大的環(huán)流，他們的頻率為

式中，n是奇數(shù)，p是電機(jī)的極對(duì)數(shù)，f₁是電機(jī)的基波頻率。

分析電機(jī)環(huán)流可以有效診斷電機(jī)的轉(zhuǎn)子故障。然而，不能從電機(jī)外部測(cè)量電機(jī)的環(huán)流。環(huán)流會(huì)增大電機(jī)的損耗。根據(jù)永磁電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)可知，永磁電機(jī)的損耗主要包括鐵芯損耗、銅耗、永磁體的渦流損耗、風(fēng)磨耗、控制器引起的諧波損耗等。

正常的永磁電機(jī)空載低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的鐵耗、渦流損耗及風(fēng)磨耗較小，銅耗非常小。當(dāng)電機(jī)發(fā)生局部退磁故障時(shí)，由于電機(jī)的運(yùn)行頻率較低，所以環(huán)流產(chǎn)生的銅耗成為主要的損耗增加部分。由于此時(shí)電機(jī)總的損耗很小，所以環(huán)流的銅耗會(huì)使局部退磁電機(jī)的空載損耗增加比例較大。因此，電機(jī)發(fā)生局部退磁故障時(shí)，其低速空載損耗增加系數(shù)k₁相對(duì)較大。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，電機(jī)的鐵損會(huì)逐步加大，此時(shí)主要的損耗是電機(jī)的鐵損。局部退磁對(duì)鐵損的影響較小。盡管此時(shí)環(huán)流仍然會(huì)有一定的增加，但是其增加幅度與鐵損相比較小，因此電機(jī)的空載損耗增加比例會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加逐步降低。因此，電機(jī)發(fā)生局部退磁故障時(shí)，其中速空載損耗增加系數(shù)相對(duì)較小。通過大量試驗(yàn)表明，當(dāng)電機(jī)在中速時(shí)空載損耗增加系數(shù)k₁<Thr₁且k₂≥Thr₂時(shí)，可認(rèn)為電機(jī)發(fā)生了局部退磁故障，且Thr₁取5％，Thr₂取5％。

電機(jī)的偏心故障會(huì)使電機(jī)的并聯(lián)支路中產(chǎn)生環(huán)流。因此，電機(jī)空載低速運(yùn)行時(shí)，其損耗增加系數(shù)也會(huì)大于零。當(dāng)電機(jī)在中速運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)的氣隙不均勻，因此電機(jī)部分鐵芯中的氣隙磁密增加，偏心使鐵損增加。此外，電機(jī)偏心時(shí)，由于單邊磁拉力的存在，電機(jī)的摩擦損耗增大。所以，偏心電機(jī)在中速運(yùn)行時(shí)，其損耗增加系數(shù)相對(duì)較大。通過大量試驗(yàn)表明，當(dāng)電機(jī)在中速時(shí)空載損耗增加系數(shù)k₁≥Thr₁時(shí)，即可認(rèn)為電機(jī)發(fā)生了偏心故障。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生均勻退磁時(shí)，電機(jī)的支路中不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，且電機(jī)中諧波含量也不會(huì)增加。電機(jī)發(fā)生均勻退磁時(shí)，由于電機(jī)磁密降低，電機(jī)在低速和中速時(shí)的空載損耗都會(huì)減小。考慮到電機(jī)在低速時(shí)總的損耗較小，較小的誤差就可能使空載損耗增加系數(shù)發(fā)生較大變化，因此可將低速的損耗增加系數(shù)的范圍適當(dāng)放寬，主要通過中速時(shí)的損耗增加系數(shù)來判斷。通過大量試驗(yàn)表明，當(dāng)電機(jī)在中速時(shí)的空載損耗增加系數(shù)k₁<Thr₃且低速時(shí)的空載損耗增加系數(shù)k₂<Thr₄時(shí)，可認(rèn)為電機(jī)發(fā)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(jī)在低速和中速時(shí)的空載損耗增加系數(shù)可判斷電機(jī)是否存在故障。如果存在故障，還能判斷出電機(jī)的故障類型。

根據(jù)上述理論，本發(fā)明具體的實(shí)施步驟如圖2所示：

(1)將被測(cè)試電機(jī)和負(fù)載脫開。利用驅(qū)動(dòng)器使被測(cè)電機(jī)運(yùn)行于中速ω₁(選取為1200轉(zhuǎn)每分)，并測(cè)量電機(jī)的兩個(gè)線電壓和兩個(gè)線電流。其中兩個(gè)線電壓記為v_ba、v_ca，兩個(gè)線電流記為i_a，i_b。

(2)計(jì)算電機(jī)在低速時(shí)的空載損耗p_T1。其計(jì)算表達(dá)式為

p_T1＝v_aci_a+v_bci_b (4)

(3)根據(jù)正常電機(jī)在中速時(shí)(1200轉(zhuǎn)每分)的空載損耗p_H1，計(jì)算電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的空載損耗增加系數(shù)k₁。其計(jì)算表達(dá)式為

其中，正常電機(jī)在中速時(shí)的空載損耗需提前測(cè)試得到。

(4)根據(jù)k₁判斷電機(jī)是否存在偏心故障。若k₁≥Thr₁，則認(rèn)為電機(jī)發(fā)生偏心故障。空載損耗增加系數(shù)k₁越大，偏心故障越嚴(yán)重。其中，閾值Thr₁需通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到，一般可取5％。

(5)如果電機(jī)不存在偏心故障，即k₁<Thr₁，則利用驅(qū)動(dòng)器使被測(cè)電機(jī)運(yùn)行于低速(100轉(zhuǎn)每分)，并重復(fù)步驟(1)-(3)，得到電機(jī)低速時(shí)的空載損耗增加系數(shù)k₂。

根據(jù)系數(shù)k₁和k₂判斷電機(jī)是否存在退磁故障，并區(qū)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(cè)試電機(jī)存在局部退磁故障。k₂越大，局部退磁故障越嚴(yán)重。其中，閾值Thr₂需通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到，一般可取5％。(6B)若k₁<Thr₃且k₂<Thr₄，則判斷電機(jī)為均勻退磁故障。k₂越大，均勻退磁故障越嚴(yán)重。其中，閾值Thr₃和Thr₄理論上應(yīng)該是零。這兩個(gè)值也需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到。一般考慮到噪聲及低速時(shí)空載損耗很小等原因，Thr₄可適當(dāng)放寬，取1％，而Thr₃可取為-5％。

實(shí)施例一：針對(duì)實(shí)驗(yàn)室一臺(tái)正常電機(jī)、一臺(tái)局部退磁電機(jī)以及一臺(tái)偏心電機(jī)做低速和中速空載損耗測(cè)試。電機(jī)的功率為15kw，每極每相槽數(shù)3，并聯(lián)支路數(shù)為2。

測(cè)試結(jié)果為：當(dāng)電機(jī)發(fā)生偏心故障時(shí)，其中速時(shí)空載損耗增加系數(shù)k₁為11.07％，大于閾值5％；當(dāng)電機(jī)發(fā)生局部退磁故障時(shí)，其中速時(shí)的空載損耗系數(shù)k₁為3.71％，低速時(shí)的空載損耗系數(shù)k₂為12.97％，符合k₁<5％，k₂≥5％的判斷條件。