《永磁同步電機偏心故障檢測方案設計》9600字（論文）

永磁同步電機偏心故障檢測方案設計摘要隨著社會的發展，科技的進步，永磁同步電機成為現代工業不可或缺的一部分。電機作為工業設備的核心，它的運行狀況會對工業設備的工作效率和穩定性產生直接影響。轉子的動偏心是電機較為常見的一種故障，而工業電機因工作環境原因更容易發生偏心故障，工業電機一旦發生偏心故障將對正常工業生產帶來影響。轉子偏心會改變電機氣隙大小及磁場分布，氣隙磁場改變的同時，徑向電磁力也會發生變化，從而產生不平衡磁拉力。對電機的安全運行和正常的工業生產造成安全隱患。因此，論文以常用的永磁同步電機為研究對象，著重于對偏心故障下電機內部磁場的分析及偏心檢測方法的研究。關鍵詞：永磁同步電機；動偏心故障；有限元分析；氣隙磁場。目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 2第一章緒論 11.1研究背景和意義 11.2國內外研究現狀 11.3有限元分析法的介紹 21.4論文的主要工作 3第二章偏心故障下永磁同步電機不平衡磁拉力分析 42.1引言 42.2不平衡磁拉力的理論計算 42.3偏心故障下電機不平衡磁拉力的有限元仿真 62.3.1建立永磁同步電機ansoft仿真模型 62.3.2偏心故障下徑向電磁力仿真分析 92.3.3不平衡磁拉力和偏心程度的關系 10第三章偏心故障下永磁同步電機氣隙磁場分析3.1引言 123.2永磁同步電機氣隙磁場解析理論分析 123.2.1氣隙磁導分析 123.2.2氣隙磁場分析 133.3空載條件下正常永磁同步電機氣隙磁場的有限元分析 14第四章永磁同步電機偏心故障檢測方案設計 174.1引言 174.2偏心故障檢測方案選擇 17第五章結論與展望 185.1總結 185.2展望 18參考文獻 19第一章緒論1.1研究背景和意義隨著工業社會的發展，電機的使用已經滲透到生產生活的各個方面，極大地促進了生產生活的便利和生產的發展。電機在工業的生產和發展中扮演著不可或缺的重要角色。電機可能出現的故障主要分為：（1）定子方面的故障：定子鐵芯故障以及斷路、匝間短路和相間短路等；（2）轉子方面的故障：軸承彎曲、端環斷裂、轉子繞組短路、導條開焊；（3）機械方面的故障：軸承損裂、定轉子碰撞。這些故障的出現將嚴重影響電機的正常運行和使用壽命。每年因電機故障所造成的經濟損失無法估量。這些損失不但包括了電機本身的成本，也包括因電機損壞停產所造成的其它經濟損失。隨著社會的發展和工業化程度的提高，人們對電機能夠可靠運行的要求也越來越高。電機的轉子偏心故障是一種常見故障，電機轉子一旦偏心，氣隙的寬度就不再是均勻的，這將造成氣隙磁場發生變化，定轉子間將會出現不平衡磁拉力，這種不平衡磁拉力會惡化電機性能，加深偏心的程度，造成氣隙磁場的畸變。所以對電機偏心故障進行診斷研究，預防偏心故障程度加深，對保障正常的工業生產具有重大的意義。1.2國內外研究現狀根據以往在分析電機電流信號的基礎上，對偏心檢測方面具有頗深的研究經驗。如果感應電機存在偏心故障，將會有一些頻率特定的電流分流存在于定子繞組中經過多方面的實驗研究證實，找到了繞組函數法，為氣隙偏心的進一步研究打下了堅實的基礎，也提出了相應的感應電機多回路模型，在正弦電壓激勵基礎下，對無故障電機的啟動性能給予仿真，取得了較好的應用效果，在此模型的基礎下，對各種感應電機故障進行分析，比如定子繞組短路、定子繞組開路、轉子斷條、轉子斷環等，得到了效果較好的故障特征。比如轉速、轉矩及電流等。在此模型中氣隙是均勻的，在電感的計算過程中，很容易體現氣隙偏心效果，在后來的研究中，是具有支持作用的理論依據。在研究過程中，多回路模型應用的比較多，在電感矩陣的計算中，體現出靜態氣隙偏心，并使用氣隙長度增大的方法對鐵心磁壓降進行考慮，事實驗證，在電感計算中確實存在氣隙偏心現象，但是定子繞組間之間的互感是有區別的。隨后，對靜態偏心和無偏心情形下的空載啟動性能之間的差異進行比較，主要包括定子磁鏈曲線、轉子磁鏈曲線、轉速曲線、轉矩曲線、定子電流曲線、轉子電流曲線等等，研究結果顯示，在感應電機運行的過程中，如果存在靜態偏心現象，將會延長電機的啟動時間。在感應電機處于穩態的情形下，如果轉子電流增大，將會使電機的穩態升溫。有常見的幾種診斷方法：（1）基于信號處理的方法基于信號處理的方法，通常是利用信號模型（如相關函數、頻譜、小波變換等）這些可以直接分析可測信號，或者間接利用幅值、頻率、電流等值，以這些為依據進行故障分析。（2）基于解析模型的方法基于解析模型的方法是以診斷對象的數學模型為基礎，按照一定的數學方法對被測信息進行診斷處理，其優點是能深入系統本質的動態性質和實現實時診斷。（3）基于神經網絡的診斷方法。（4）人工神經網絡（ArtificialNeuralNetwork）具有大規模并行分布處理、聯想記憶、自組織學習、容錯性等優良特性，對于非確定性的知識具有極強的處理能力，能夠解決許多傳統方法所無法解決的問題。然而人工神經網絡的一些缺點限制了他的一些應用，如：網絡結構難以確定、局部極點小等問題。另外還有很多其它的智能診斷方法，然而每種診斷方法都有其局限性和缺點，因此將多種方法相結合的綜合故障診斷技術已經成為一個新的研究熱點。1.3有限元分析法的介紹有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬。利用簡單而又相互作用的元素，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。因為實際問題被較簡單的問題所代替，所以這個解不是準確解，而是近似解。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產生并得到了應用，隨著計算機技術的快速發展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值計算方法。1.4論文的主要工作本文的主要目的旨在通過對偏心故障下電機內部磁場和不平衡磁拉力變化情況的分析，設計一種新的偏心故障檢測方案。該方案利用霍爾傳感模塊和多點測量技術構建磁場采集裝置，利用傅里葉變換方法處理磁場數據提取故障特征，實現永磁同步電機偏心故障檢測。主要工作內容概括如下：（1）采用數值計算方法對偏心故障下永磁同步電機的不平衡磁拉力公式進行推導，并利用ansoft仿真軟件建立永磁同步電機二維模型，對永磁同步電機在不同程度偏心程度下的磁拉力進行分析，揭示了不平衡磁拉力隨偏心率的變化規律：改變電機運行負載，利用有限元方法探究發生偏心故障的永磁同步電機分別在電機空載、0.5倍額定負載和額定負載情況下不平衡磁拉力的變化情況。（2）探究偏心故障下永磁同步電機氣隙磁場的變化情況。首先采用解析方法對正常電機和偏心故障電機的氣隙磁場進行分析。接著利用有限元方法對電機氣隙磁場進行計算，將空載正常運行情況下的磁場分布和氣隙磁密與不同程度偏心電機的磁場分布和氣隙磁密進行對比，確定了偏心故障及不同偏心程度下電機氣隙磁場的變化特征。采用傅里葉變換對氣隙磁場的諧波進行分解，得到各個階次諧波在電機偏心故障下的分布情況。（3）在前面的理論分析和仿真驗證的基礎上，針對當前檢測方法的不足和對偏心故障檢測的需求分析，設計一種利用傳感器檢測氣隙內多點磁場信息判斷偏心故障的檢測方案。檢測系統包括傳感電路模塊、數據采集模塊以及上位機處理模塊，通過對磁場的信息采集、處理并對比對故障特性判斷偏心故障類型及最小氣隙位置。最后利用有限元模型對檢測方案的有效性進行仿真驗證。

偏心故障下永磁同步電機不平衡磁拉力分析2.1引言電機的偏心故障常常伴隨著不平衡磁拉力的產生，是因為偏心導致氣隙磁場變化。先對不平衡磁拉力進行公式理論推導，然后建立永磁同步電機的二維有限元模型，對電機在不同偏心狀態下的不平衡磁拉力進行仿真。2.2不平衡磁拉力的理論計算不平衡磁拉力就是麥克斯韋力，由麥克斯韋張力法，可以得到電機轉子單位面積上的電磁力F,單位面積上的電磁力F又可以分解為徑向分量Fr和切向分量F圖2.1電磁力徑向分力和切向分力示意圖徑向分量Fr和切向分量FF(2-1)F(2-2)式中：BrBtμ0由麥克斯韋法可以推導出單位長度上的徑向電磁力為：F(2-3)做出電機轉子外徑和定子內徑的偏心示意圖如圖2.2所示。其中c1、c2為初始圓心和偏心后圓心，s是沿轉子靜態偏心的偏心距離，α是定子內圓中任一點和圓心所連直線同偏心方向所構成的夾角，則該徑向電磁力在偏心方向所受的分解力為Frl,其中FF=(2-4)式中：R——定子鐵心內徑。在知道氣隙磁密B的分布情況后，代入式（2-4）可得不平衡磁拉力的表達式：F(2-5)設圓周上的任意一個點k的極坐標（rk+1，θk），該點處的氣隙磁密是BkF(2-6)其中n為轉子圓周上的任一點，m是轉子圓周分解的總點數。轉子上產生的全部不平衡磁拉力是：F(2-7)式中：ld對x軸和y軸方向上的電磁力進行積分，可得到不平衡磁拉力在x軸和y軸上的分量：F(2-8)圖2.2轉子偏心示意圖2.3偏心故障下電機不平衡磁拉力的有限元仿真2.3.1建立永磁同步電機ansoft仿真模型首先在RMxpert中新建要解的模型→設置模型各個部分參數及材料→對設置好的RMxpert模型進行求解→生成maxwell3D模型→轉子偏心及激勵設置→進行仿真運算。1.永磁同步電機的基本參數本文使用的仿真的永磁同步電機的基本參數如下表2.1。額定功率（KW）1.1定子外徑（mm）145額定電壓（V）220定子內徑（mm）79額定轉速（rpm）1500鐵心長度（mm）76功率因數0.95轉子外徑（mm）77繞組連接方式Y槽數24極對數2氣隙寬度（mm）1表2.1永磁同步電機的基本參數2.永磁同步電機的基本假設1）電機鐵芯所受外部磁場的影響不計，轉軸是絕對磁絕緣的；2）不考慮鐵芯邊緣結構對電機內部磁場的影響；3）假設電機轉子和定子所用的材料具有同向性；4）不計電機繞組產生的溫度的影響。3.永磁同步電機模型邊界條件的設置有限元方法的本質是求解矩陣方程的過程，要得到一組解，必須有確定的求解條件。方程的定解條件和邊界條件在有限元方法中具有相同的函數。因此，正確地設置邊界條件，是順利求解矩陣方程和保證計算結果的準確性的前提。邊界條件就是在仿真模型的邊緣設置的已知條件。有限元中常用的已知條件有諾依曼邊界條件：??(2-9)式（2-9）中，n表示邊界外法線矢量，г表示諾依曼邊界。h(г)和f(г)是一般函數，也可以是零和常數，在邊界條件齊次化時其值可以為零。該邊界條件在Ansoft中的RMxpert模塊會自行在計算的過程由軟件調節，不需人為設定。有限元法中經常用到的邊界條件還有自然邊界條件。自然邊界條件是指兩種材料不同的材質的接觸邊界的切向和法向回歸到自然邊界。采用的永磁同步電機的所用材料如下圖2.2所示。電機部件材料電機部件材料定子鐵心DW465-50轉子鐵心DW465-50定子導體銅定子求解域空氣永磁體XG196/96氣隙空氣表2.2永磁同步電機各部分材料設置模型的生成把所有設置和材料在AnsoftMaxwell的Rmxpert模塊中進行設置，如圖2.3所示。圖2.3RMxpert模塊參數設置生成的RMxpert模型導入Maxwell3D模型如圖2.4。圖2.4永磁同步電機二維模型圖偏心模型的設置本文后續研究要基于永磁同步電機3D模型進行，需要基于不同程度偏心故障進行分析和仿真驗證，因此需要建立不同的偏心模型。為了便于分析，引入偏心度k來測量轉子偏心程度的大小k=(2-10)式中：s——轉子偏心距離；g——氣隙長度。2.3.2偏心故障下徑向電磁力仿真分析采用有限元分析法對正常電機和不同偏心率下的電機的徑向電磁力進行仿真分析，并進行對比。通過有限元方法計算得到空載的正常電機的氣隙各點處的徑向電磁力密度如圖2.4所示由圖2.4可知，徑向電磁力的波峰和電極磁極對應，空載正常電機的各磁極下的電磁力密度基本相同且呈對稱周期分布。由此可知，在沒有偏心故障出現的正常電機的各磁極產生的電磁力完全相同，以此保障轉子在各個方向所受磁拉力平衡，此時沒有不平衡磁拉力產生，電機可以保持正常運轉。電機相鄰兩磁極間隙的電磁力密度為0，從磁極邊緣到中間電磁力密度的幅值有所增加，這與永磁體所產生的磁場規律相同。為了分析電機的偏心故障對不平衡磁拉力的影響，采用麥克斯韋應力計算偏心度分別為20%和40%的電機的徑向電磁密度，將得到的結果和正常電機進行對比，徑向電磁力密度對比圖如下圖2.4所示。圖2.4空載正常電機徑向電磁力密度分布圖從圖2.4中永磁同步電機的徑向電磁力對應著電機永磁體出現四個波峰。當電機出現偏心故障時，徑向電磁力變化較為明顯。但垂直于偏心方向上的兩側磁極所對應的徑向電磁力變化不明顯。這是因為這兩側磁極的方向與偏心故障的方向垂直，所以受偏心故障影響較小，偏心故障程度變化時，該處的徑向電磁力基本上不發生變化。在偏心近氣隙側，徑向電磁力受偏心故障影響較大，電磁力明顯變大。而在偏心遠氣隙側，隨著偏心程度的不斷增大，徑向電磁力則在不斷變小。這說明了偏心情況下，電磁力隨著氣隙磁密的變化也在發生相應的變化，并且在偏心方向上產生了不平衡磁拉力，且隨著偏心程度不斷加劇，不平衡磁拉力也在不斷增大，造成定、轉子圓心不再重合，甚至造成定轉子相碰的可怕后果。2.3.3不平衡磁拉力和偏心程度的關系對偏心近氣隙處的定子齒和遠氣隙處的定子齒，分別進行仿真計算。得到計算結果如下圖2.5。圖2.5徑向電磁力密度局部放大圖從圖中能看出，近氣隙的徑向電磁力明顯高于遠氣隙處的電磁力，這是因為近棲息處的氣隙寬度減小，相應的氣隙磁密變大，氣隙磁密減小導致的。因此可以驗證電機的偏心故障導致偏心方向上的轉子的所受徑向電磁力不平衡，從而產生不平衡磁拉力，而電機轉子偏心程度越大，轉子受到的不平衡磁拉力也會越大。通過分析發現，不平衡磁拉力和電機偏心程度成正比關系。偏心程度越大，電機轉子近氣隙和遠氣隙所受到的徑向電磁力的差值也越大。后面對不同程度偏心故障的電機轉子所受不平衡磁拉力進行計算。得到的結果繪制下圖2.6。圖2.6不平衡磁拉力解析結果與數值結果對比由圖2.6可知，電機在正常時，轉子各個方向所受的徑向電磁力平衡，此時并沒有不平衡磁拉力產生，隨著電機偏心程度的增大，電機轉子所受到的不平衡磁拉力也在變大，且呈正比變化。偏心距離為0.4mm時的不平衡磁拉力約為0.2mm時的兩倍，電機轉子產生的不平衡磁拉力與轉子的靜態偏心程度成線性關系。且數值計算和結果基本相符。

第三章偏心狀態時永磁同步電機的氣隙磁場分析3.1引言永磁同步電機在出現偏心時，偏心會引起電機氣隙發生改變，而氣隙磁場的變化會對電機的整體功能起到關鍵性的作用。這章先對氣隙磁導進行理論分析，然后采用有限元分析法，對不同偏心程度的電機氣隙磁場的變化進行分析，找出規律。3.2永磁同步電機氣隙磁場解析理論分析3.2.1氣隙磁導分析假設永磁同步電機轉子外表光滑，若電機極對數為p，氣隙長度為g，定子槽數為z1，槽口寬度為b1，槽深為h，齒距為t，兩槽距離為b，極距離為g(x)=gkt?式中：(k=0,1,2,...,zp),gm為轉子表面到定子槽底部的距離；br1氣隙比磁導：λg將λ1λ(3-3)式中：λλxt在轉子坐標中，永磁體上產生的諧波的表達式為?(3-4)在定子坐標中，永磁體上產生的諧波的表達式為?(3-5)3.2.2氣隙磁場分析轉子永磁體v次諧波磁動勢，作用于氣隙平均磁導產生μ=γ次氣隙諧波磁場，該諧波磁場在定子上的變化頻率為?μ氣隙諧波磁場強度如下式所示。Hn=1sin(3-6)作為電機內部磁場能量轉換的重要通道，氣隙對磁場的壓降可占閉合磁路磁壓降的65%以上，由此可以看出，氣隙磁場的變化將對電機的運行和穩定性產生重要影響。設正常電機沿圓周方向的氣隙寬度為g，則永磁同步電機徑向氣隙磁密BrB(3-7)B??dg——轉子氣隙寬度；當轉子發生偏心故障時，實際氣隙長度為g=(3-8)式中:g0K——轉子偏心率；α——位置角；電機發生靜態偏心故障時的徑向氣隙磁密為B(3-9)通過氣隙某點的磁鏈將為：Ψ(t)=式中：lsrgBrZ——定子槽數；3.3空載條件下正常永磁同步電機氣隙磁場的有限元分析3.3.1磁力線及磁密云圖若要分析轉子偏心對電機氣隙磁場的影響，首先要掌握正常狀態下電機的磁場特性。利用前面的模型，讓電機在空載條件下運行，計算電機在空載正常時運行的電磁性能。得到電機磁密云圖和磁力線分別如圖3.1和3.2所示。圖3.2空載情況下電機磁密云圖圖3.3空載情況下電機磁力線由圖3.1和圖3.2可知電機內部磁場的分布情況，在磁密云圖中，看出在空載條件下，永磁同步電機各個磁極部分的磁力線和磁密分布情況相似，且磁力線主要集中在四個磁極附近，穿過氣隙后分布在定子和轉子鐵心中，并且都是閉合的。有少部分的磁感線穿過了定子槽形成了漏磁場。在定子齒和氣隙中，磁力線對應著磁極呈對稱分布。這說明空載條件下電機各磁極部分磁場都為對稱分布，且漏磁較小。3.3.2氣隙磁密分析由式（3-7）可知，永磁同步電機氣隙磁密的大小和氣隙寬度成反比關系。越靠近永磁體磁極，氣隙磁密越高，兩相鄰磁極之間的空隙磁密將達到最小。電機的偏心故障會引起氣隙寬度的變化，然后會影響氣隙磁密度的大小。通過有限元仿真計算，就可以得到電機氣隙磁密在電機中的分布，如下圖3.4。圖3.4空載狀態下永磁同步電機氣隙磁密曲線圖

第四章永磁同步電機偏心故障檢測方案設計4.1引言前面幾章對電機的偏心故障下的氣隙磁場特性進行了理論推導和仿真分析。現在要結合偏心故障下氣隙磁場的變化特點，根據偏心故障檢測方案，并對方案內容和偏心的故障的自動檢測技術做簡單的闡述，最后利用有限元分析法對檢測方案進行仿真驗證。4.2.檢測方案的需求分析第三章對永磁同步電機氣隙磁導和氣隙磁場進行了分析，發現電機氣隙磁導與氣隙寬度成反比的關系，當電機發生靜態偏心的時候，電機的氣隙不再平衡，將出現靠近偏心側方向上的最小氣隙處和遠離偏心方向上的最大氣隙處，氣隙磁密也將隨著氣隙發生改變，近偏心側的氣隙磁密中的基波分量變大，遠偏心側的氣隙磁密的基波分量減小。且偏心發生時的氣隙磁場中將出現偶次諧波分量，因此根據偏心情況下氣隙磁場的這些變化特征可以提出一種利用檢測氣隙磁場診斷偏心故障的方法。4.3方案整體設計及結構傳感電路模塊傳感電路模塊將采用多點磁場測量技術設計。多點測量是按一定規律放置傳感器，采集電機內部各處的磁場信息，并通過對這些信息進行比對分析，提取出故障特征，從而判斷故障位置與故障類型。數據采集與傳輸模塊傳感電路和上位機之間通過采集電路連接，完成上下位機之間的指令和數據傳送，它的工作流程為：電機啟動同時接通傳感電路模塊電源，傳感電路上的霍爾傳感器將對電機內部磁場信息進行采集，將磁場信號轉換為電壓信號，然后傳感電路的電壓信號經放大器放大后被采集電路模塊的A/D轉換器采集，至此，磁場信號轉化為了數字信號。上位機終端上位機中主要包括數據處理的應用軟件，其功能主要為：數據采集：接受數據采集模塊輸送的數字信號通過上位機利用采集命令數據顯示：其應用界面能夠實時顯示采集到的數字信號并不斷刷新。數據處理：需要對采集到的數據進行處理分析，提取出數字串中的有效信息并擬合出曲線。數據存儲：能夠將數字信息的處理結果進行保存，以便我們查詢。4.4仿真結果我們還可以通過maxwell和simulink的聯合仿真也可以電流和轉子的角速度對電機故障進行分析。如圖4.1、4.2圖4.1故障電機的電流曲線圖4.2故障電機的角速度曲線

結論與展望第五章結論與展望5.1總結永磁同步電機在工業生產中的作用不言而喻，電機作為工業機械的核心，其運行狀況對機械的工作效率和穩定性產生直接的巨大影響。作為電機最為常見的故障之一，轉子偏心故障將會改變電機氣隙大小及磁場的分布，而氣隙作為電機磁場能量轉換的重要通道，氣隙磁場的變化對電機的整體性能起著決定性作用，轉子一旦偏心，氣隙見的徑向電磁力便不再平衡，將產生不平衡磁拉力。不平衡磁拉力輕則導致電機的噪聲和振動，重則使電機定、轉子產生摩擦甚至相碰。電機發生偏心故障將對工業生產帶來巨大影響。因此，基于電機內部磁場的分析和偏心檢測方案的研究，對保障工業生產具有重要的意義。5.2展望本課題還仍進一步改進和完善：當偏心故障和退磁故障同時發生時，該檢測方案無法區分。2）可以將參數識別法和基于模型的故障診斷方法相結合，也可以改造電機結構增加一套繞組充當探測線圈來診斷故障。

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