《永磁同步电机偏心故障检测方案设计》9600字（论文）

永磁同步电机偏心故障检测方案设计摘要随着社会的发展，科技的进步，永磁同步电机成为现代工业不可或缺的一部分。电机作为工业设备的核心，它的运行状况会对工业设备的工作效率和稳定性产生直接影响。转子的动偏心是电机较为常见的一种故障，而工业电机因工作环境原因更容易发生偏心故障，工业电机一旦发生偏心故障将对正常工业生产带来影响。转子偏心会改变电机气隙大小及磁场分布，气隙磁场改变的同时，径向电磁力也会发生变化，从而产生不平衡磁拉力。对电机的安全运行和正常的工业生产造成安全隐患。因此，论文以常用的永磁同步电机为研究对象，着重于对偏心故障下电机内部磁场的分析及偏心检测方法的研究。关键词：永磁同步电机；动偏心故障；有限元分析；气隙磁场。目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 2第一章绪论 11.1研究背景和意义 11.2国内外研究现状 11.3有限元分析法的介绍 21.4论文的主要工作 3第二章偏心故障下永磁同步电机不平衡磁拉力分析 42.1引言 42.2不平衡磁拉力的理论计算 42.3偏心故障下电机不平衡磁拉力的有限元仿真 62.3.1建立永磁同步电机ansoft仿真模型 62.3.2偏心故障下径向电磁力仿真分析 92.3.3不平衡磁拉力和偏心程度的关系 10第三章偏心故障下永磁同步电机气隙磁场分析3.1引言 123.2永磁同步电机气隙磁场解析理论分析 123.2.1气隙磁导分析 123.2.2气隙磁场分析 133.3空载条件下正常永磁同步电机气隙磁场的有限元分析 14第四章永磁同步电机偏心故障检测方案设计 174.1引言 174.2偏心故障检测方案选择 17第五章结论与展望 185.1总结 185.2展望 18参考文献 19第一章绪论1.1研究背景和意义随着工业社会的发展，电机的使用已经渗透到生产生活的各个方面，极大地促进了生产生活的便利和生产的发展。电机在工业的生产和发展中扮演着不可或缺的重要角色。电机可能出现的故障主要分为：（1）定子方面的故障：定子铁芯故障以及断路、匝间短路和相间短路等；（2）转子方面的故障：轴承弯曲、端环断裂、转子绕组短路、导条开焊；（3）机械方面的故障：轴承损裂、定转子碰撞。这些故障的出现将严重影响电机的正常运行和使用寿命。每年因电机故障所造成的经济损失无法估量。这些损失不但包括了电机本身的成本，也包括因电机损坏停产所造成的其它经济损失。随着社会的发展和工业化程度的提高，人们对电机能够可靠运行的要求也越来越高。电机的转子偏心故障是一种常见故障，电机转子一旦偏心，气隙的宽度就不再是均匀的，这将造成气隙磁场发生变化，定转子间将会出现不平衡磁拉力，这种不平衡磁拉力会恶化电机性能，加深偏心的程度，造成气隙磁场的畸变。所以对电机偏心故障进行诊断研究，预防偏心故障程度加深，对保障正常的工业生产具有重大的意义。1.2国内外研究现状根据以往在分析电机电流信号的基础上，对偏心检测方面具有颇深的研究经验。如果感应电机存在偏心故障，将会有一些频率特定的电流分流存在于定子绕组中经过多方面的实验研究证实，找到了绕组函数法，为气隙偏心的进一步研究打下了坚实的基础，也提出了相应的感应电机多回路模型，在正弦电压激励基础下，对无故障电机的启动性能给予仿真，取得了较好的应用效果，在此模型的基础下，对各种感应电机故障进行分析，比如定子绕组短路、定子绕组开路、转子断条、转子断环等，得到了效果较好的故障特征。比如转速、转矩及电流等。在此模型中气隙是均匀的，在电感的计算过程中，很容易体现气隙偏心效果，在后来的研究中，是具有支持作用的理论依据。在研究过程中，多回路模型应用的比较多，在电感矩阵的计算中，体现出静态气隙偏心，并使用气隙长度增大的方法对铁心磁压降进行考虑，事实验证，在电感计算中确实存在气隙偏心现象，但是定子绕组间之间的互感是有区别的。随后，对静态偏心和无偏心情形下的空载启动性能之间的差异进行比较，主要包括定子磁链曲线、转子磁链曲线、转速曲线、转矩曲线、定子电流曲线、转子电流曲线等等，研究结果显示，在感应电机运行的过程中，如果存在静态偏心现象，将会延长电机的启动时间。在感应电机处于稳态的情形下，如果转子电流增大，将会使电机的稳态升温。有常见的几种诊断方法：（1）基于信号处理的方法基于信号处理的方法，通常是利用信号模型（如相关函数、频谱、小波变换等）这些可以直接分析可测信号，或者间接利用幅值、频率、电流等值，以这些为依据进行故障分析。（2）基于解析模型的方法基于解析模型的方法是以诊断对象的数学模型为基础，按照一定的数学方法对被测信息进行诊断处理，其优点是能深入系统本质的动态性质和实现实时诊断。（3）基于神经网络的诊断方法。（4）人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork）具有大规模并行分布处理、联想记忆、自组织学习、容错性等优良特性，对于非确定性的知识具有极强的处理能力，能够解决许多传统方法所无法解决的问题。然而人工神经网络的一些缺点限制了他的一些应用，如：网络结构难以确定、局部极点小等问题。另外还有很多其它的智能诊断方法，然而每种诊断方法都有其局限性和缺点，因此将多种方法相结合的综合故障诊断技术已经成为一个新的研究热点。1.3有限元分析法的介绍有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值计算方法。1.4论文的主要工作本文的主要目的旨在通过对偏心故障下电机内部磁场和不平衡磁拉力变化情况的分析，设计一种新的偏心故障检测方案。该方案利用霍尔传感模块和多点测量技术构建磁场采集装置，利用傅里叶变换方法处理磁场数据提取故障特征，实现永磁同步电机偏心故障检测。主要工作内容概括如下：（1）采用数值计算方法对偏心故障下永磁同步电机的不平衡磁拉力公式进行推导，并利用ansoft仿真软件建立永磁同步电机二维模型，对永磁同步电机在不同程度偏心程度下的磁拉力进行分析，揭示了不平衡磁拉力随偏心率的变化规律：改变电机运行负载，利用有限元方法探究发生偏心故障的永磁同步电机分别在电机空载、0.5倍额定负载和额定负载情况下不平衡磁拉力的变化情况。（2）探究偏心故障下永磁同步电机气隙磁场的变化情况。首先采用解析方法对正常电机和偏心故障电机的气隙磁场进行分析。接着利用有限元方法对电机气隙磁场进行计算，将空载正常运行情况下的磁场分布和气隙磁密与不同程度偏心电机的磁场分布和气隙磁密进行对比，确定了偏心故障及不同偏心程度下电机气隙磁场的变化特征。采用傅里叶变换对气隙磁场的谐波进行分解，得到各个阶次谐波在电机偏心故障下的分布情况。（3）在前面的理论分析和仿真验证的基础上，针对当前检测方法的不足和对偏心故障检测的需求分析，设计一种利用传感器检测气隙内多点磁场信息判断偏心故障的检测方案。检测系统包括传感电路模块、数据采集模块以及上位机处理模块，通过对磁场的信息采集、处理并对比对故障特性判断偏心故障类型及最小气隙位置。最后利用有限元模型对检测方案的有效性进行仿真验证。

偏心故障下永磁同步电机不平衡磁拉力分析2.1引言电机的偏心故障常常伴随着不平衡磁拉力的产生，是因为偏心导致气隙磁场变化。先对不平衡磁拉力进行公式理论推导，然后建立永磁同步电机的二维有限元模型，对电机在不同偏心状态下的不平衡磁拉力进行仿真。2.2不平衡磁拉力的理论计算不平衡磁拉力就是麦克斯韦力，由麦克斯韦张力法，可以得到电机转子单位面积上的电磁力F,单位面积上的电磁力F又可以分解为径向分量Fr和切向分量F图2.1电磁力径向分力和切向分力示意图径向分量Fr和切向分量FF(2-1)F(2-2)式中：BrBtμ0由麦克斯韦法可以推导出单位长度上的径向电磁力为：F(2-3)做出电机转子外径和定子内径的偏心示意图如图2.2所示。其中c1、c2为初始圆心和偏心后圆心，s是沿转子静态偏心的偏心距离，α是定子内圆中任一点和圆心所连直线同偏心方向所构成的夹角，则该径向电磁力在偏心方向所受的分解力为Frl,其中FF=(2-4)式中：R——定子铁心内径。在知道气隙磁密B的分布情况后，代入式（2-4）可得不平衡磁拉力的表达式：F(2-5)设圆周上的任意一个点k的极坐标（rk+1，θk），该点处的气隙磁密是BkF(2-6)其中n为转子圆周上的任一点，m是转子圆周分解的总点数。转子上产生的全部不平衡磁拉力是：F(2-7)式中：ld对x轴和y轴方向上的电磁力进行积分，可得到不平衡磁拉力在x轴和y轴上的分量：F(2-8)图2.2转子偏心示意图2.3偏心故障下电机不平衡磁拉力的有限元仿真2.3.1建立永磁同步电机ansoft仿真模型首先在RMxpert中新建要解的模型→设置模型各个部分参数及材料→对设置好的RMxpert模型进行求解→生成maxwell3D模型→转子偏心及激励设置→进行仿真运算。1.永磁同步电机的基本参数本文使用的仿真的永磁同步电机的基本参数如下表2.1。额定功率（KW）1.1定子外径（mm）145额定电压（V）220定子内径（mm）79额定转速（rpm）1500铁心长度（mm）76功率因数0.95转子外径（mm）77绕组连接方式Y槽数24极对数2气隙宽度（mm）1表2.1永磁同步电机的基本参数2.永磁同步电机的基本假设1）电机铁芯所受外部磁场的影响不计，转轴是绝对磁绝缘的；2）不考虑铁芯边缘结构对电机内部磁场的影响；3）假设电机转子和定子所用的材料具有同向性；4）不计电机绕组产生的温度的影响。3.永磁同步电机模型边界条件的设置有限元方法的本质是求解矩阵方程的过程，要得到一组解，必须有确定的求解条件。方程的定解条件和边界条件在有限元方法中具有相同的函数。因此，正确地设置边界条件，是顺利求解矩阵方程和保证计算结果的准确性的前提。边界条件就是在仿真模型的边缘设置的已知条件。有限元中常用的已知条件有诺依曼边界条件：∂∅(2-9)式（2-9）中，n表示边界外法线矢量，г表示诺依曼边界。h(г)和f(г)是一般函数，也可以是零和常数，在边界条件齐次化时其值可以为零。该边界条件在Ansoft中的RMxpert模块会自行在计算的过程由软件调节，不需人为设定。有限元法中经常用到的边界条件还有自然边界条件。自然边界条件是指两种材料不同的材质的接触边界的切向和法向回归到自然边界。采用的永磁同步电机的所用材料如下图2.2所示。电机部件材料电机部件材料定子铁心DW465-50转子铁心DW465-50定子导体铜定子求解域空气永磁体XG196/96气隙空气表2.2永磁同步电机各部分材料设置模型的生成把所有设置和材料在AnsoftMaxwell的Rmxpert模块中进行设置，如图2.3所示。图2.3RMxpert模块参数设置生成的RMxpert模型导入Maxwell3D模型如图2.4。图2.4永磁同步电机二维模型图偏心模型的设置本文后续研究要基于永磁同步电机3D模型进行，需要基于不同程度偏心故障进行分析和仿真验证，因此需要建立不同的偏心模型。为了便于分析，引入偏心度k来测量转子偏心程度的大小k=(2-10)式中：s——转子偏心距离；g——气隙长度。2.3.2偏心故障下径向电磁力仿真分析采用有限元分析法对正常电机和不同偏心率下的电机的径向电磁力进行仿真分析，并进行对比。通过有限元方法计算得到空载的正常电机的气隙各点处的径向电磁力密度如图2.4所示由图2.4可知，径向电磁力的波峰和电极磁极对应，空载正常电机的各磁极下的电磁力密度基本相同且呈对称周期分布。由此可知，在没有偏心故障出现的正常电机的各磁极产生的电磁力完全相同，以此保障转子在各个方向所受磁拉力平衡，此时没有不平衡磁拉力产生，电机可以保持正常运转。电机相邻两磁极间隙的电磁力密度为0，从磁极边缘到中间电磁力密度的幅值有所增加，这与永磁体所产生的磁场规律相同。为了分析电机的偏心故障对不平衡磁拉力的影响，采用麦克斯韦应力计算偏心度分别为20%和40%的电机的径向电磁密度，将得到的结果和正常电机进行对比，径向电磁力密度对比图如下图2.4所示。图2.4空载正常电机径向电磁力密度分布图从图2.4中永磁同步电机的径向电磁力对应着电机永磁体出现四个波峰。当电机出现偏心故障时，径向电磁力变化较为明显。但垂直于偏心方向上的两侧磁极所对应的径向电磁力变化不明显。这是因为这两侧磁极的方向与偏心故障的方向垂直，所以受偏心故障影响较小，偏心故障程度变化时，该处的径向电磁力基本上不发生变化。在偏心近气隙侧，径向电磁力受偏心故障影响较大，电磁力明显变大。而在偏心远气隙侧，随着偏心程度的不断增大，径向电磁力则在不断变小。这说明了偏心情况下，电磁力随着气隙磁密的变化也在发生相应的变化，并且在偏心方向上产生了不平衡磁拉力，且随着偏心程度不断加剧，不平衡磁拉力也在不断增大，造成定、转子圆心不再重合，甚至造成定转子相碰的可怕后果。2.3.3不平衡磁拉力和偏心程度的关系对偏心近气隙处的定子齿和远气隙处的定子齿，分别进行仿真计算。得到计算结果如下图2.5。图2.5径向电磁力密度局部放大图从图中能看出，近气隙的径向电磁力明显高于远气隙处的电磁力，这是因为近栖息处的气隙宽度减小，相应的气隙磁密变大，气隙磁密减小导致的。因此可以验证电机的偏心故障导致偏心方向上的转子的所受径向电磁力不平衡，从而产生不平衡磁拉力，而电机转子偏心程度越大，转子受到的不平衡磁拉力也会越大。通过分析发现，不平衡磁拉力和电机偏心程度成正比关系。偏心程度越大，电机转子近气隙和远气隙所受到的径向电磁力的差值也越大。后面对不同程度偏心故障的电机转子所受不平衡磁拉力进行计算。得到的结果绘制下图2.6。图2.6不平衡磁拉力解析结果与数值结果对比由图2.6可知，电机在正常时，转子各个方向所受的径向电磁力平衡，此时并没有不平衡磁拉力产生，随着电机偏心程度的增大，电机转子所受到的不平衡磁拉力也在变大，且呈正比变化。偏心距离为0.4mm时的不平衡磁拉力约为0.2mm时的两倍，电机转子产生的不平衡磁拉力与转子的静态偏心程度成线性关系。且数值计算和结果基本相符。

第三章偏心状态时永磁同步电机的气隙磁场分析3.1引言永磁同步电机在出现偏心时，偏心会引起电机气隙发生改变，而气隙磁场的变化会对电机的整体功能起到关键性的作用。这章先对气隙磁导进行理论分析，然后采用有限元分析法，对不同偏心程度的电机气隙磁场的变化进行分析，找出规律。3.2永磁同步电机气隙磁场解析理论分析3.2.1气隙磁导分析假设永磁同步电机转子外表光滑，若电机极对数为p，气隙长度为g，定子槽数为z1，槽口宽度为b1，槽深为h，齿距为t，两槽距离为b，极距离为g(x)=gkt−式中：(k=0,1,2,...,zp),gm为转子表面到定子槽底部的距离；br1气隙比磁导：λg将λ1λ(3-3)式中：λλxt在转子坐标中，永磁体上产生的谐波的表达式为ƒ(3-4)在定子坐标中，永磁体上产生的谐波的表达式为ƒ(3-5)3.2.2气隙磁场分析转子永磁体v次谐波磁动势，作用于气隙平均磁导产生μ=γ次气隙谐波磁场，该谐波磁场在定子上的变化频率为ƒμ气隙谐波磁场强度如下式所示。Hn=1sin(3-6)作为电机内部磁场能量转换的重要通道，气隙对磁场的压降可占闭合磁路磁压降的65%以上，由此可以看出，气隙磁场的变化将对电机的运行和稳定性产生重要影响。设正常电机沿圆周方向的气隙宽度为g，则永磁同步电机径向气隙磁密BrB(3-7)Bℎℎdg——转子气隙宽度；当转子发生偏心故障时，实际气隙长度为g=(3-8)式中:g0K——转子偏心率；α——位置角；电机发生静态偏心故障时的径向气隙磁密为B(3-9)通过气隙某点的磁链将为：Ψ(t)=式中：lsrgBrZ——定子槽数；3.3空载条件下正常永磁同步电机气隙磁场的有限元分析3.3.1磁力线及磁密云图若要分析转子偏心对电机气隙磁场的影响，首先要掌握正常状态下电机的磁场特性。利用前面的模型，让电机在空载条件下运行，计算电机在空载正常时运行的电磁性能。得到电机磁密云图和磁力线分别如图3.1和3.2所示。图3.2空载情况下电机磁密云图图3.3空载情况下电机磁力线由图3.1和图3.2可知电机内部磁场的分布情况，在磁密云图中，看出在空载条件下，永磁同步电机各个磁极部分的磁力线和磁密分布情况相似，且磁力线主要集中在四个磁极附近，穿过气隙后分布在定子和转子铁心中，并且都是闭合的。有少部分的磁感线穿过了定子槽形成了漏磁场。在定子齿和气隙中，磁力线对应着磁极呈对称分布。这说明空载条件下电机各磁极部分磁场都为对称分布，且漏磁较小。3.3.2气隙磁密分析由式（3-7）可知，永磁同步电机气隙磁密的大小和气隙宽度成反比关系。越靠近永磁体磁极，气隙磁密越高，两相邻磁极之间的空隙磁密将达到最小。电机的偏心故障会引起气隙宽度的变化，然后会影响气隙磁密度的大小。通过有限元仿真计算，就可以得到电机气隙磁密在电机中的分布，如下图3.4。图3.4空载状态下永磁同步电机气隙磁密曲线图

第四章永磁同步电机偏心故障检测方案设计4.1引言前面几章对电机的偏心故障下的气隙磁场特性进行了理论推导和仿真分析。现在要结合偏心故障下气隙磁场的变化特点，根据偏心故障检测方案，并对方案内容和偏心的故障的自动检测技术做简单的阐述，最后利用有限元分析法对检测方案进行仿真验证。4.2.检测方案的需求分析第三章对永磁同步电机气隙磁导和气隙磁场进行了分析，发现电机气隙磁导与气隙宽度成反比的关系，当电机发生静态偏心的时候，电机的气隙不再平衡，将出现靠近偏心侧方向上的最小气隙处和远离偏心方向上的最大气隙处，气隙磁密也将随着气隙发生改变，近偏心侧的气隙磁密中的基波分量变大，远偏心侧的气隙磁密的基波分量减小。且偏心发生时的气隙磁场中将出现偶次谐波分量，因此根据偏心情况下气隙磁场的这些变化特征可以提出一种利用检测气隙磁场诊断偏心故障的方法。4.3方案整体设计及结构传感电路模块传感电路模块将采用多点磁场测量技术设计。多点测量是按一定规律放置传感器，采集电机内部各处的磁场信息，并通过对这些信息进行比对分析，提取出故障特征，从而判断故障位置与故障类型。数据采集与传输模块传感电路和上位机之间通过采集电路连接，完成上下位机之间的指令和数据传送，它的工作流程为：电机启动同时接通传感电路模块电源，传感电路上的霍尔传感器将对电机内部磁场信息进行采集，将磁场信号转换为电压信号，然后传感电路的电压信号经放大器放大后被采集电路模块的A/D转换器采集，至此，磁场信号转化为了数字信号。上位机终端上位机中主要包括数据处理的应用软件，其功能主要为：数据采集：接受数据采集模块输送的数字信号通过上位机利用采集命令数据显示：其应用界面能够实时显示采集到的数字信号并不断刷新。数据处理：需要对采集到的数据进行处理分析，提取出数字串中的有效信息并拟合出曲线。数据存储：能够将数字信息的处理结果进行保存，以便我们查询。4.4仿真结果我们还可以通过maxwell和simulink的联合仿真也可以电流和转子的角速度对电机故障进行分析。如图4.1、4.2图4.1故障电机的电流曲线图4.2故障电机的角速度曲线

结论与展望第五章结论与展望5.1总结永磁同步电机在工业生产中的作用不言而喻，电机作为工业机械的核心，其运行状况对机械的工作效率和稳定性产生直接的巨大影响。作为电机最为常见的故障之一，转子偏心故障将会改变电机气隙大小及磁场的分布，而气隙作为电机磁场能量转换的重要通道，气隙磁场的变化对电机的整体性能起着决定性作用，转子一旦偏心，气隙见的径向电磁力便不再平衡，将产生不平衡磁拉力。不平衡磁拉力轻则导致电机的噪声和振动，重则使电机定、转子产生摩擦甚至相碰。电机发生偏心故障将对工业生产带来巨大影响。因此，基于电机内部磁场的分析和偏心检测方案的研究，对保障工业生产具有重要的意义。5.2展望本课题还仍进一步改进和完善：当偏心故障和退磁故障同时发生时，该检测方案无法区分。2）可以将参数识别法和基于模型的故障诊断方法相结合，也可以改造电机结构增加一套绕组充当探测线圈来诊断故障。

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