基于磁场检测的永磁同步电机故障特征研究

摘要

永磁同步电机具有高效率、高功率密度、低振动噪声、高可靠性等优点，在能源、交通和航空航天等领域得到广泛应用。随着永磁同步电机功率越来越大，其运行的安全性和可靠性问题日益突出，为保障永磁同步电机的安全运行，对电机的常见故障进行实时诊断就显得极其重要，如何及时提取故障相应的故障特征是研究永磁同步电机故障诊断的关键问题。本文作为国家自然科学基金面上项目“基于定子电磁振动与电流分析的永磁同步电机电气及失磁故障诊断方法研究”（51477015）中的部分基础内容，对上述关键问题展开研究。
　　具体而言，本文以永磁同步电机常见故障（匝间短路、转子失磁和转子偏心故障）为研究对象，采用有限元的方法对永磁同步电机故障时定子齿部磁场的变化特点进行深入分析，通过相应故障特征值的提取来实时诊断永磁同步电机的故障性质、程度和位置。
　　首先，建立永磁同步电机样机的有限元模型，搭建电机控制系统，构建含实际控制策略的电机有限元联合仿真平台。然后，通过定子齿上加装的检测线圈获得电机运行时内部磁场的变化信息，采用理论分析和数学推导的方法提出故障特征的提取方法，进而得到反映故障性质、程度和位置的故障特征值。最后，分别建立样机匝间短路、转子失磁和转子偏心三类故障的有限元模型，运用所提方法对相应故障下的故障特征展开深入研究，并对三类故障的特征值进行对比分析，以验证所提方法的有效性。
　　研究结果表明：匝间短路时，故障特征值的雷达图在故障位置处会出现奇异值，并随故障程度的增加而增加。利用与控制器载波频率相关的高频分量，可提高判断匝间短路故障程度的灵敏度；失磁故障时，故障特征值的雷达图近似呈圆形，并随失磁程度的增加，圆的半径也近似线性增长；偏心故障时，故障特征值的雷达图呈葫芦状，并随偏心程度的增加图形也会变大，动态偏心的雷达图随时间旋转，而静态偏心的雷达图不随时间旋转。
　　上述结果显示，本文所提故障特征的研究方法可分辨出永磁同步电机常见故障的类型，并在一定程度上反应出故障的大小和位置，为该类电机故障诊断的研究奠定了理论基础。

目录

1 绪 论

1.1 课题背景及选题意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容

2 永磁同步电机模型与控制系统

2.1 引言

2.2 永磁同步电机模型

2.3 永磁同步电机的矢量控制

2.4 联合仿真平台的搭建

2.5 小结

3 永磁同步电机故障特征提取方法

3.1 引言

3.2 检测线圈的安装

3.3 故障信号的处理方法

3.4 小结

4 永磁同步电机匝间短路故障特征研究

4.1 引言

4.2 匝间短路的原因

4.3 匝间短路的基波处理

4.4 匝间短路的谐波分析

4.5 小结

5 永磁同步电机转子故障特征研究

5.1 引言

5.2 永磁同步电机失磁故障特征研究

5.3 永磁同步电机偏心故障特征研究

5.4 小结

6 总 结

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文：

B. 在攻读学位期间参加的科研项目：