基于定子齿磁通的永磁同步电机故障诊断研究

摘要

永磁同步电机广泛应用于航空航天、风力发电、交通运输、军事等重要领域，它的意外失效不仅会造成巨额经济损失还可能引发重大安全事故。灵敏、准确的在线故障诊断方法，是及时发现电机早期故障，保障电机系统安全的关键之一。　　本文针对永磁同步电机匝间短路、失磁、偏心故障，采用理论推导和仿真分析相结合的方法，分析了故障对定子齿磁通的影响规律，揭示了故障关键参数和齿磁通的定量关系；针对不同类型故障，提出了基于定子齿磁通的故障特征值和故障诊断方法，研制了一套永磁同步电机多故障诊断装置。仿真和实验表明，诊断方法能识别故障位置、范围、程度等参数，具有灵敏、准确的优点，可以有效地诊断早期故障。研究成果有利于实现更全面、准确的电机状态在线监测，对于促进我国重大装备领域高端化发展具有非常重要的理论意义和实用价值。　　论文的主要工作包括：　　①在传统故障模型的基础上，对故障下的定子齿磁通进行了推导和理论分析，利用联合仿真对理论分析进行了验证和补充。研制了基于探测线圈的定子齿磁通实时测量装置。为基于定子齿磁通的故障诊断研究奠定了基础。　　②对匝间短路故障特征的提取方法以及故障参数的估算方法进行了研究，提出了基于定子齿磁通高频谐波、基波相量的匝间短路诊断方法。和同类方法相比，提出的方法具有更高的灵敏性、准确性，可以有效侦测早期故障，并准确反映短路位置、匝数、电阻。通过实验验证了提出的方法的有效性。　　③研究了部分失磁故障与定子齿磁通时频特征之间的关系，提出了基于定子齿磁通幅值导数、边频分量的部分失磁故障特征值及相应的诊断方法。该方法可以侦测部分失磁故障，识别失磁极数、故障磁极失磁百分比。和同类方法相比，提出的方法可以更准确地诊断失磁故障程度，并且具有不受电机工况影响的优点。通过实验验证了提出的方法的有效性。　　④研究了定子齿磁通时空分布和偏心率之间的关系，提出了基于定子齿磁通相对变化的偏心故障诊断方法。该方法可以侦测偏心故障，识别偏心类型以及偏心率的方向和大小。提出的方法可以准确推算出转子偏心的实际距离和方向，和同类方法相比具有准确、不受电机工况影响的优点。通过实验验证了提出的方法的有效性。　　⑤利用联合仿真，分析了混合故障对各种诊断方法的干扰，改进了混合故障下各种故障特征值的提取方法。将改进后的各种单一类型诊断方法进行合理组合，实现了匝间短路、失磁、偏心及混合故障的诊断。通过实验和仿真验证了混合故障诊断方法的有效性。

目录

术 语 表

1 绪 论

1.1背景及意义

1.2永磁同步电机故障概述

1.3研究现状

1.3.1匝间短路故障诊断研究现状

1.3.2失磁故障诊断研究现状

1.3.3偏心故障诊断研究现状

1.3.4存在的问题

1.4论文的主要工作

2 故障下定子齿磁通分析与测量

2.1引言

2.2故障对定子齿磁通的影响分析

2.2.1匝间短路故障的影响

2.2.2失磁故障的影响

2.2.3偏心故障的影响

2.3定子齿磁通测量原理

2.4探测线圈结构对测量的影响

2.4.1样机的三维有限元模型

2.4.2定子齿磁场分析

2.4.3探测线圈结构对测量结果的影响分析

2.5定子齿磁通测量装置

2.6小结

3 匝间短路故障诊断研究

3.1引言

3.2匝间短路诊断方法

3.2.1故障及其位置诊断

3.2.2故障程度诊断

3.3诊断性能仿真分析

3.3.1联合仿真模型及匝间短路故障设置

3.3.2故障及其位置诊断分析

3.3.3故障程度诊断分析

3.4实验验证

3.4.1匝间短路故障设置

3.4.2匝间短路实验结果

3.5小结

4 失磁故障诊断研究

4.1引言

4.2部分失磁诊断方法

4.2.1故障及失磁极数诊断

4.2.2故障程度诊断

4.3整体失磁诊断方法

4.4.1失磁故障仿真设置

4.4.2部分失磁诊断分析

4.4.3整体失磁诊断分析

4.5实验验证

4.5.1失磁故障设置

4.5.2失磁故障实验结果

4.6小结

5 偏心故障诊断研究

5.1引言

5.2偏心故障诊断方法

5.2.1故障特征值

5.2.2故障存在性诊断

5.2.3故障类型诊断

5.2.4故障程度及方向诊断

5.3.1偏心故障仿真设置

5.3.2故障存在性诊断分析

5.3.3故障类型诊断分析

5.3.4故障程度及方向诊断分析

5.3.5电机工况对诊断结果影响分析

5.4实验验证

5.4.1偏心故障设置

5.4.2偏心故障实验结果

5.5小结

6 混合故障诊断研究

6.1引言

6.2混合故障下的匝间短路诊断改进

6.2.1故障及其位置诊断

6.2.2故障程度诊断

6.3混合故障下的失磁故障改进

6.3.1部分失磁诊断

6.3.2整体失磁诊断

6.4混合故障下的偏心故障改进

6.5混合故障诊断流程

6.6实验验证

6.7小结

7 结论与展望

7.1全文工作总结

7.2后续工作展望

参考文献

附录

A. 基于仿真的混合故障诊断结果

B. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

C. 作者在攻读博士学位期间申请的专利

D. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

E. 学位论文数据集

致谢