基于失電殘余電壓的永磁同步電動機失磁故障診斷研究

陳 誠, 梁偉銘, 鐘 欽, 任紀良, 馬宏忠

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基于失電殘余電壓的永磁同步電動機失磁故障診斷研究

陳 誠1, 梁偉銘1, 鐘 欽2, 任紀良1, 馬宏忠2

（1. 上海汽車集團有限公司新能源汽車事業部上海201804; 2. 河海大學能源與電氣學院，南京211100）

對利用失電殘壓診斷永磁同步電動機轉子失磁故障進行研究。首先，對電機失電后定子繞組殘余電壓進行分析，討論了定子失電殘余電壓的產生、性質；其次，分析了失磁故障對失電殘余電壓的影響，提出了利用失電殘余電壓診斷失磁故障的判別依據；最后，通過實驗研究驗證了該判據的正確性與有效性，表明基于失電殘余電壓診斷永磁同步電動機失磁故障方法的可行性。

永磁同步電動機；失磁故障；失電殘余電壓

0 前言

永磁同步電動機因其結構緊湊、體積小、重量輕、效率高、轉矩高、功率密度高、工作可靠、噪聲低等性能特點，具有電動汽車驅動的最優綜合指標，非常適用于電動汽車驅動領域[1-3]。但電動汽車驅動電機運行環境惡劣，運行工況復雜，轉子永磁體受到電、磁、熱、機械等應力會產生退磁[4]，一旦永磁體發生不可逆退磁故障，會導致永磁電機性能指標下降、發熱和轉矩性能變差，嚴重情況下電機可能失控和報廢[5-6]。同時，由于永磁電機轉子上嵌入永磁體，永磁體發生失磁故障是永磁電機特有的故障類型。永磁同步電動機在電動汽車及風電場的廣泛應用，使得失磁問題更加引人關注。

目前國內專門針對永磁同步電動機故障診斷的研究還相對較少，主要的研究也是在國外一些發達國家。永磁電機發生失磁故障，會在定子電流中產生特定的諧波分量，其頻率為[7]：

形成了以定子電流信號為分析對象的不同的診斷方法，例如希爾伯特黃HHT方法[8]、連續小波變換CWT方法[9]、離散小波變換方法DWT[9]、快速傅立葉變換FFT方法[10]等，以監測和分析定子電流諧波分量診斷轉子失磁故障。不容置疑，根據這種特征量進行失磁故障診斷有很多優點，如信號采集簡單、方便等[11]，但是利用定子電流進行電機轉子失磁故障診斷，不論是穩態分析還是暫態分析，仍有一定的局限性。

（1）轉子其他類型故障及變頻器供電的影響

轉子的其他類型故障也會產生與(1)式相同的諧波，例如動態偏心，導致區分失磁故障與其他類型故障困難[12]。另外，以變頻器作為驅動電源的永磁電機應用越來越多，而變頻器的輸出電壓非正弦，含有大量的時間諧波，導致電流中包含大量的諧波成分[13-14]，這給利用電流諧波診斷失磁故障帶來難題。

（2）大功率電機在輕微失磁故障時診斷仍有困難

當轉子有輕微失磁故障時，定子電流中故障頻率分量相對于基波頻率分量的比值很小，若電機運行于輕載時其比值更小，這給信號處理帶來困難，使得診斷靈敏度下降。

（3）負載波動影響

電動機所拖動的負載有時是不平穩的，負載的擺動使定子電流發生畸變，反映在頻譜圖上常表現為基波頻率的各種調制成分，這些調制成分的譜峰大多分布于主頻兩側。這樣就導致在頻譜圖上難以直觀地看出有無故障頻率分量。

本文以電動汽車驅動電機為研究對象，對其失電后定子繞組的殘余電壓進行分析，并將其用于診斷永磁同步電動機轉子失磁故障。該方法的突出優點在于：對電機進行故障診斷不受變頻器供電的影響(變頻器的輸出電壓含有大量的時間諧波)；它是從電機本身進行測試，不受負載的影響(如負載大小、負載性質、波動情況等)[15]。

1 永磁同步電動機失電殘余電壓的產生

2 失電殘余電壓的分析

當電機無故障時，氣隙磁場接近正旋分布，奇次諧波分量相對很小，所以在定子繞組中感應的電壓中引起的諧波分量相對于基波來說較小。

當電機轉子發生故障時，如失磁故障、偏心故障等，氣隙磁場發生畸變，定子繞組的感應電壓中引起相應諧波分量。

3 失磁故障對失電殘余電壓的影響

在永磁同步電動機中，忽略齒槽影響，空載氣隙磁密波形可以近似為矩形波，其諧波幅值為極弧系數的函數，表達式為：

圖1 氣隙磁密諧波幅值與極弧系數的關系

4 診斷失磁故障的判別依據

正常的永磁同步電動機失電后，在不計鐵耗和附加損耗的情況下，轉子機械運動方程為：

同理可得，當電機發生失磁故障后失電殘壓的基波為：

（7）式也可寫為：

5 實測數據分析

本文對一臺8極42kW的電動汽車驅動電機進行實測，先測定正常電機在不同轉速下失電后的端電壓，后對該電機的轉子設置失磁故障(從對稱位置的四個永磁體槽內各取出高度10%的永磁體)，具體見圖2。圖3為電機正常和失磁故障失電前后定子端電壓及其局部放大波形，失電時刻電機轉速分別為1744r/min、1687r/min。其幅值是經霍爾電壓傳感器變換后的毫伏值(1mV對應實際的0.08V)。該電機由變頻器供電，圖中失電前端電壓含有大量的載波。電機失電后，逆變電路的開關器件斷開，端電壓不再含有載波。本實驗負載小，且負載轉矩是隨電機轉速的下降而減小的，因而端電壓衰減慢，如圖3所示。

圖2 轉子及失磁故障設置部位

（a） 正常情況

（b） 失磁故障情況

圖3 電機失電前后定子端電壓及其局部放大波形(實測)

對比圖3中端電壓的局部放大波形，故障電機的波形較正常電機發生了畸變，說明失磁故障引起了失電殘壓某些諧波分量的出現或變化。

表1 實驗電機的失磁故障因子K

6 結論

本文在分析了電動汽車永磁同步電動機失電殘壓的產生、性質及失磁故障對其影響的基礎上，提出了利用失電殘壓診斷永磁同步電動機失磁故障的判別依據，并通過實驗研究驗證了該判據的正確性與有效性。指出：

（1）利用失電殘壓能克服利用定子電流進行電機轉子失磁故障診斷的局限性，如不受變頻器供電和負載的影響。

（2）為進行準確的診斷，實際應用可預先按理論計算電機無故障時失電殘壓與轉速的比值，然后結合實測得到的比值對其進行修正，做為失磁故障診斷的閥值。低于閥值表明已發生失磁故障，小于閥值越多表明整體失磁程度越嚴重。

（3）本文指出失磁故障雖能引起失電殘壓諧波分量的變化，但其變化受電機定子繞組的分布影響較大，是否能作為故障特征量有待進一步研究。

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Diagnosing Demagnetization Fault for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Residual Voltages after AC Dump

CHEN Cheng1, LIANG Weiming1, ZHONG Qin2, Ren Jiliang1, MA Hongzhong2

(1. New Energy Automotive Business Department of SAIC Motor, Shanghai 201804, China;2. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

This paper focus on diagnosing demagnetization fault for permanent magnet synchronous machine(PMSM) by residual voltage after AC dump. First, through analyzing the reason of residual voltage, its properties were discussed. Then, the effect of demagnetization fault on residual voltage was analyzed, and the discrimination of diagnosing demagnetization fault by residual voltage was presented. Finally, the experiment verifies the correction and creditability of the discrimination, and residual voltage can be used in demagnetization failure of PMSM.

permanent magnet synchronous motor; demagnetization failure; residual voltage after AC dump

TM351

A

1000-3983(2014)02-0022-04

上海汽車工業科技發展基金會基金（1106）

陳誠（1974-）, 2006年7月畢業于江蘇大學汽車與交通工程學院，獲研究生學位，從事電動汽車電安全技術方面的研究工作，工程師。

審稿人：許善椿