利用電磁特性分析對永磁同步電機進行故障診斷
本文提出了一種通過直接測量感測線圈的磁通量對永磁同步電機進行健康監測和多故障檢測的新方法。不同於其他基於頻譜的故障檢測方案，這種方法僅需要測量用於故障檢測的基頻分量。因此，本方案的效能不受速度波動或者電源諧波的影響。此外，可以檢測到匝間短路的位置和靜態偏心的方向，這是其他方案都沒有的。雖然是嵌入式技術，但它非常適合於關鍵任務和新興技術的應用，離岸風力渦輪機和混合動力汽車技術，軍事上的應用等故障的早期檢測非常重要的場合。使用有限元分析進行二維模擬已經驗證了不同條件下提出的方法。實驗簡介對定子匝間短路故障、失磁故障、靜態偏心故障進行了討論，對提出的方案進行實驗，驗證其有效性。
關鍵詞：故障檢測，有限元分析、永磁同步電機、感測線圈。
1.簡介
過去十年，永磁同步電機(PMSM)由於其高效率、高輸出功率體積比和高轉矩電流比，在諸如風力渦輪機和電動汽車中得到了很大的普及。在這些關鍵任務的應用中，一個意想不到的機器故障可能會導致非常高的維修或更換費用，甚至災難性的系統故障。因此，這種場合需要堅固可靠的健康監測和故障檢測方法，可以為預防性維護提供依據，延長使用壽命，減少機器故障。
離線機故障檢測與診斷的方法不能頻繁地測試，經濟上也不允許，研究人員已經提出了許多線上檢測的方法，這類方法維修費用少、診斷結果更可靠。一個具有成本效益的方式是基於定子電流頻譜，通常被稱為電動機電流特徵分析（MCSA）[1]-[6]。電機電流的特定次諧波可以作為某種特定故障的標誌。由於離散傅立葉變換(DFT)不包含機器操作和快速變化的速度的時間資訊，短時傅立葉變換可以權衡時間和頻率的解析度。然而，一個固定長度的視窗可能導致不同的電流頻率[7]不一致，改變電機的速度使它難以確定諧波次數。為了避免時間解析度和頻率解析度之間的矛盾，羅賽羅等人[7]利用連續小波變換(CWT)和離散小波變換(DWT)在一臺機器非平穩狀態下執行的退磁故障檢測。埃斯皮諾薩等人[6]提出了相同的概念，採用希爾伯特-黃變換檢測退磁。類似的方法也用於永磁同步電機[8]動態偏心故障檢測。類似於目前的頻譜，一些故障也隱藏在噪聲、振動、轉矩譜[9]-[13]。然而，由於加速度計、扭力計成本高，他們通常應用在相對較大的機器。這些頻率分析演演算法比較費時，而且很難確定特定的諧波源。對於無刷永磁電機，由於部分退磁產生的諧波頻率和動態偏心的標誌一樣，它們不能被區分開。在現實中，除了部分退磁，其他的不對稱問題，如負載不平衡、失調，或振動載荷也可以產生[15]相同的諧波。
另一種故障診斷方法是基於電機模型。負序和零序電流[16]，[17]，負序和零序阻抗[18]，或負序和零序電壓[19]，[20]作為故障檢測指標。這些指標對於機器不對稱故障很敏感，故障產生的不對稱訊號可以被檢測到。然而，任何不對稱引起的機械結構或電源的不平衡可能會影響故障檢測的準確性。基於電機模型，估計的物理引數，也可用於線上故障診斷，如定子電阻，電感，轉子的轉動慣量，摩擦，和反電動勢常數[21]–[24]。在這種方法中，通常的電壓、電流，和速度進行直接測量，其他引數是推算出來的，當資料發生變化或者不對稱的時候就能夠及時發現故障。然而，這需要機器在正常執行狀態下的準確引數。此外，要注意的是，這些方法不討論以前提供的故障定位。
本文提出了一種利用測試線圈進行多故障檢測的方法。這些線圈繞在電樞齒上，是嵌入式的，所以在製造或者製作繞組是就需要安裝進去。事實上，對於電機故障檢測，搜尋線圈並不是一個新的概念。筆者等人[25][26]已經開發出一種方法，使用搜尋線圈測量感應機的軸向漏磁訊號進行感應電機中的一些常見故障的檢測，如轉子斷條，繞線轉子短路，匝間短路，偏心運轉等。然而，他們也承認，由於電源中含有額外的諧波，而這種技術正是基於頻譜分析，所以並不適用於變頻調速系統。納緹等人用安裝在轉子上的搜尋線圈檢測繞線轉子的同步電機和雙饋感應電機的定子匝間故障，這種方法基於測量搜尋線圈電壓的功率譜密度。在這種方法中，用搜尋線圈測量定子中的磁通，只有測量電壓的基頻分量用於故障檢測。所以他不受高頻諧波的限制，這使得它適合於逆變/整流回饋電動機或發電機，如風力發電機和汽車系統。此外，該方法不需要機器引數的知識。而且，可以檢測定子繞組短路準確位置和靜態偏心的方向。
為了評估所提出的方案的有效性，已經對一個永磁同步電機進行了模擬和實驗。偏心，電樞繞組匝間短路，和不同的負載條件下退磁已通過有限元分析（EFA）模擬並進行了實驗。
Infolytica公司的有限元分析軟體MagNet模擬了安裝有搜尋線圈的永磁同步電機的不同故障條件。本節介紹了二維有限元模擬的結果。
測量12個搜尋線圈不同負載條件下的電壓，分解得到2個極圖，如圖7所示。圖7表示了(a)電樞反應電壓和(b)感應磁場電壓。不同的顏色代表不同的負載狀態。每條曲線都有12個星號，代表12個定子磁極，每一對磁極之間有30度的機械角度。極圖中，星號與極圖中心的距離代表測量線圈的電壓。
圖7的兩個極圖表明，在不同負載條件下，電樞電壓分量與負荷成正比，而勵磁分量電壓保持相同，除了直軸電樞有感應磁動勢的干擾。
圖8表示電機在0.127 mm(0.005 in,20%)和0.254mm(0.01 in,40%)的靜態偏心條件下，測量電壓的勵磁分量與正常情況下的對比。偏心的方向是正上方，在向量圖中對應於90度。這種輕微的變化，在圖中是90都，是很容易觀察到的。
圖9表示30%動態偏心的情況。可以看出有45度的位置變化，是採集資料時轉子發生變化的方向。動態偏心時，變化的方向隨著同步轉速旋轉，圖9表示在任意瞬間的分佈。
圖10表示三種0度匝間短路的情況，分別為齒周圍1匝、2匝和3匝電樞線圈發生匝間短路。這個位置安匝發生變化會導致電樞磁動勢失真。可以看出，不同數量的匝間短路是可以被區分開來的。
圖11表示三相中有一相接地的情況。就像在第四節解釋的那樣，A相的齒有1/3的磁鏈幅值，分別在、、和的位置，由相鄰相產生，B相和C相的齒有5/6的磁鏈幅值。
圖12表示發生部分失磁的電機測量電壓的勵磁分量，分別為1/4極失磁20%和50%。由於轉子以同步轉速旋轉，這個影象中的曲線是時變的，以同步轉速旋轉並保持形狀不變。
圖13表示一臺均勻失磁的電機在任意時刻測量電壓的勵磁分量，所有磁極分別發生20%和50%的失磁。因為磁極處於均勻失磁狀態，儘管圖中紅色的曲線以同步轉速旋轉，但其形狀是不變的。因此，通過檢測線圈的測量電壓的勵磁分量可以得到永磁體效能的惡化情況。
實驗設定了一個匝間短路故障，電機重繞以便在兩個繞組模式之間切換。一個無故障，另一個A相的定子齒A3發生四匝短路故障。圖16是對定子進行重繞的過程。
圖17是A相的四個定子極的搜尋線圈的電壓。其中交軸電流為0.5A(向量控制)。重繞的電機定子極A3發生4匝短路(每相一共18匝)。可以看出，A3脈衝(紅色曲線)的幅度較低，這表明互感也比較小，說明A3繞組發生短路。圖18是搜尋線圈電壓分解後的電樞分量。12條線代表一週12個定子極。可以看出，線圈A3的電樞分量小於其他組，這是比其他組少了4匝有效匝造成的。
將圖18轉換到極座標得到圖19，這張圖更明確地說明了電機在發生匝間短路故障的情況。
實驗也驗證了電機的靜態偏心故障的情況。為了建立一顆可預測的偏心，兩個端板的內槽接地，加進去兩塊電工膠帶。圖20展現這種方案。
電機的氣隙長度是25mils(0.635mm)，轉子軸發生了大約7mils(電工膠帶的厚度0.1778mm)的錯位，使其發生大約28%的偏心。圖21表示交軸電流設為0.4A，發生靜態偏心時，A相4個定子極搜尋線圈的電壓。從圖22可以看出，這4條曲線有不同的基波幅值。
分解後，A相每個搜尋線圈的測量電壓的勵磁分量如圖22所示。影象表明，定子齒A4的勵磁分量最高，A2最低，A1和A3居中。表明A4方向發生偏心，氣隙長度最短。
將12個搜尋線圈的勵磁分量放在一起，在一個極圖中可以清楚地看出偏心的方向是電機的正下方，如圖23所示。
為了進行區域性失磁實驗，拆除了一部分轉子磁極。永磁體是燒結釹鐵硼。損壞的轉子如圖24所示，這種損壞的結果如圖25所示。從圖中可以看出，1/8的轉子極的磁場大約小了15%。
本文呈現了對永磁同步電機狀態檢測和故障診斷的新方案，為了能測量到氣隙磁通密度，搜尋線圈纏繞在每個定子齒周圍。雖然該方法是嵌入式的，但由於故障檢測只用到了一次諧波，能夠排除電力電子裝置產生的諧波。這項技術的另一個優點是不需要負載的狀況就能夠進行精確地故障診斷。
二維瞬態有限元分析模擬了電機在不同執行狀態下該方法的有效性。這樣研究分析的故障包括靜態和動態偏心、匝間短路、相對地短路以及部分和均勻失磁。結果表明，不同的故障，訊號也不一樣，可以輕鬆地區分開來，不需要耗時的圖形識別演演算法。而且，可以得到偏心的方向和短路的位置。這種方法能夠對每種故障的嚴重程度進行評估，這在關鍵任務應用程式如汽車、航空航天和軍事中是極其重要的。
由於這種技術是嵌入式的，所以已經投入使用的電機不能使用。同時需要注意的是，如果在製造或者重繞時搜尋線圈就被安裝上了，並不需要增加大量的費用，因為這些搜尋線圈只是少量的銅線圈。對於大功率商用及工業應用，系統的可靠性要比費用重要，使這項技術成為一個狀態監視和故障檢測有效的工具。