【摘要】：近年,永磁同步電機(jī)開始應(yīng)用在高鐵、磁懸浮等調(diào)速場合,它們的可靠運(yùn)行對人類社會(huì)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(jī)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法具有非常現(xiàn)實(shí)的必要性。作為常見的電機(jī)故障之一,轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致不平衡磁拉力,如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)或采取有效的維護(hù)措施,不平衡磁拉力會(huì)加重偏心程度,最終導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子碰撞。碰撞的機(jī)械應(yīng)力可能損傷定子絕緣和轉(zhuǎn)子磁鋼,進(jìn)而使問題惡化。因此,本文以一種電動(dòng)汽車用內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)為研究對象,針對內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況,從偏心電機(jī)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(shù)的故障診斷這三個(gè)方面深入研究了內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心故障診斷方法。在偏心電機(jī)建模方面,針對P對極分布繞組的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī),本文采用改進(jìn)繞組函數(shù)法,建立了能夠模擬轉(zhuǎn)子偏心故障的電機(jī)模型。所建立的模型得到了二維有限元仿真結(jié)果的驗(yàn)證。通過仿真分析靜態(tài)偏心、動(dòng)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(rèn)只有混合偏心才能在電機(jī)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(jī)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(yàn)文中后續(xù)提出的故障診斷方法的可行性,以及預(yù)測診斷效果。針對內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況,本文依次從頻域和時(shí)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(jī),提出了基于無近似展開改進(jìn)繞組函數(shù)法的電感模型,以更加準(zhǔn)確地分析定子電感與轉(zhuǎn)子偏心度之間的定量關(guān)系。所提出的模型能夠考慮實(shí)際定子繞組的分布結(jié)構(gòu),而且不需要對匝函數(shù)和偏心函數(shù)作近似展開就能實(shí)現(xiàn)定子電感的計(jì)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(biāo)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(guān)系,在dq坐標(biāo)系提出了偏心故障下的電感矩陣表達(dá)式。在此基礎(chǔ)之上,受到無位置傳感器控制技術(shù)的啟發(fā),隨后提出了一種基于高頻d軸電感波動(dòng)的在線頻域偏心故障診斷方法,解決了現(xiàn)有文獻(xiàn)中基于激勵(lì)注入的偏心故障診斷方法僅能用于離線電機(jī)的不足。該方法有兩個(gè)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(yùn)行的影響較小。其二,該方法不會(huì)混淆偏心和(局部)退磁故障,其故障指標(biāo)能顯著區(qū)分轉(zhuǎn)子偏心度,結(jié)合對永磁體磁鏈幅值的估計(jì),可以同時(shí)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(jī)離線,但它需要對實(shí)時(shí)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(jī)控制的嵌入式數(shù)字信號處理器(DSP)因存儲空間和計(jì)算速率的限制,其FFT結(jié)果往往達(dá)不到故障診斷的要求,影響診斷的實(shí)時(shí)性。使得最后的頻譜分析需要借助上位機(jī)或附加專用芯片實(shí)現(xiàn)。因此,為了能夠?qū)崿F(xiàn)完全實(shí)時(shí)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(dá)式從dq坐標(biāo)系變換到aβ靜止坐標(biāo)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(jī)偏心故障的倒瞬態(tài)復(fù)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(shí)現(xiàn)了純時(shí)域且實(shí)時(shí)可視化的電機(jī)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(yùn)算,能夠完全由DSP執(zhí)行,不會(huì)給DSP增加負(fù)擔(dān)。該方法的偏心故障指標(biāo)的絕對值與總體偏心度成正相關(guān),而且能顯著區(qū)分偏心故障和退磁故障。由于該方法的時(shí)域矢量軌跡圖會(huì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而畸變,因此該方法更適用于電機(jī)低速運(yùn)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(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行場合,而非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行場合的診斷一般需要使用信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn),因此針對內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況,本文提出了一種基于高級信號數(shù)據(jù)處理技術(shù)的故障診斷方法。首先,本文對一類高精度參數(shù)估計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn),將高精度參數(shù)估計(jì)方法從頻域拓展到了時(shí)頻域,提出了一種自適應(yīng)短時(shí)細(xì)化矩陣束的時(shí)頻分析方法,用于診斷非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況的偏心故障。該方法能夠在任何工況下都保持高計(jì)算效率,不需要人工調(diào)整參數(shù)。其次,在轉(zhuǎn)速和負(fù)載有波動(dòng)的似穩(wěn)態(tài)工況,高精度參數(shù)估計(jì)方法會(huì)出現(xiàn)估計(jì)結(jié)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(jì)和分布擬合,提出了一種故障特征提取方法,用于對時(shí)頻分析方法產(chǎn)生的大量估計(jì)樣本做進(jìn)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(gè)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(shí)該方法也繼承了信號處理技術(shù)的不足,即,診斷過程計(jì)算量大,需要在上位機(jī)實(shí)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(jié)合使用。本文所提出的三種方法具有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足,適用于不同的運(yùn)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(shí)驗(yàn)的充分驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM341
【圖文】：

旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)子圓心還圍繞一個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，但這個(gè)點(diǎn)不是定子圓心，如圖ｌ－ｌ（ｃ）。逡逑真實(shí)的轉(zhuǎn)子偏心狀態(tài)是復(fù)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(shí)電機(jī)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?yàn)樵趯?shí)際中靜態(tài)偏心和動(dòng)態(tài)偏心或多或少都會(huì)同時(shí)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(shí)偏心故障的狀態(tài)。逡逑６逡逑

為實(shí)驗(yàn)祥機(jī)建立ｐ心。度，本章在ＡＮＳＹＳ邋Ｍａｘｗｅｌｌ平臺建立了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的二維有限元模型。有限元仿真驗(yàn)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(jī)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(jié)逡逑果表明，靜態(tài)偏心和動(dòng)態(tài)偏心并不會(huì)在電機(jī)電流中偏心故障特征，而混合偏心會(huì)引起定子逡逑電感畸變，而定子電感畸變才是電機(jī)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(yīng)用ＭＷＦＡ之前，需要做如下假設(shè)：逡逑ｉ．磁通徑向穿過氣隙，不計(jì)漏磁通，忽略隔磁磁橋的影響，逡逑ｉｉ．磁飽和忽略不計(jì)，逡逑ｉ邋ｉ邋ｉ．定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的磁阻忽略不計(jì)，逡逑ｉｖ．齒槽效應(yīng)忽略不計(jì)。逡逑

逑２．２．１正常電機(jī)逡逑正常電機(jī)的氣隙沿圓周對稱分布，如圖２－ｌ（ａ）所示。札＝０時(shí)，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(jī)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Ｐg(shù)q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(jī)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(shí)的氣隙分布和倒氣隙分市是關(guān)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(xiàn)】

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本文編號：2770318