PDF《无刷直流电动机转子退磁故障的检测方法》

3 ] , 对电机造成永久性的影响. 文献[ 4] 通过仿真和实验证明, 永磁同步电机 转子的磁缺损故障会使电机中的气隙磁通发生畸 变, 进而在定子电流中感应出相应的频率成分: fem = fe ± k

1 p fe , 其中 fem 是需要监测的特征频率;

fe 是定子电流频率;

p 是电机的极对数.通过监测 fem 的幅值, 可以对电机的磁缺损故障进行探测.文献 [

5 - 6] 证明, 永磁同步电动机的退磁特性与定子绕 组的联结方式以及转子的结构和形状有关.文献 [ 7] 通过仿真和实验证明, fem = fe ± k

1 p fe 同样适用 于无刷直流电动机的转子磁缺损故障.但没有说明 退磁故障程度与特征频率幅值的关系.文献[ 8] 通 过估计电机的转矩常数探测退磁故障, 但没有考虑 转速对转矩常数估计值的影响.本文通过有限元分 析, 搭建了无刷直流电动机系统的仿真模型.针对 转子退磁故障的特点, 提出了一种新的故障反电动 势建模方法.采用定子电流法对电机的退磁故障进 行监测, 提取退磁故障在定子电流中对应的特征频 率, 研究退磁程度和特征频率幅值的关系.另外, 采 用基于转矩常数估计的方法对无刷直流电动机的转 子退磁故障进行监测.

1 无刷直流电动机系统的模型 1.

1 无刷直流电动机本体模型 假设磁路不饱和, 并不计涡流和磁滞损耗, 且三 相绕组对称, 则无刷直流电机的电压平衡方程 [9 ] 可 以表示为 ua ub u ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c = Rs

0 0

0 Rs

0 0

0 R ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? s ia ib i ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c + L M M M L M ? ? ? ? ? ? ? ? M M L p ia ib i ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c + ea eb e ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c . ( 1) 由于定子三相绕组采用 Y 型连接, 因此有 ia + ib + ic = 0, 从而得到 ua ub u ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c = Rs

0 0

0 Rs

0 0

0 R ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? s ia ib i ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c + L - M

0 0

0 L - M

0 0

0 L - ? ? ? ? ? ? ? ? M p ia ib i ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c + ea eb e ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c , ( 2) 其中: Rs 为定子每相绕组的电阻( Ω) ;

L 为定子每相 绕组的自感( H) ;

M 为定子任意两相绕组间的互感 ( H) ;

p 为微分算子;

ua , ub , uc 表示三相定子电压 ( V) ;

ia , ib , ic 表示三相定子电流( A) ;

ea , eb , ec 表示 三相反电动势( V) . 电动机的电磁转矩方程为 Te = ea ia + eb ib + ec ic ω . ( 3) 运动方程为 Te - TL - Bω = J dω dt . ( 4) 其中: Te 表示电磁转矩;

TL 表示负载转矩;

B 表示阻 尼系数;

ω 表示电机机械转速;

J 表示电机的转动 惯量. 根据无刷直流电动机的数学模型, 即可在 Sim- plorer 平台下搭建无刷直流电动机的仿真模型.如图1所示, 左侧框

图表示电机的电压平衡方程, 右上 角框

图表示电机的转矩和运动方程, 右下角的框图 表示三相的反电势. Pe CONST GAIN 1/棕Ea L-M L-M L-M Ra Rb Rc TL EA1 EB1 EC1 兹棕1/J Te GAIN GAIN

1 1 SUM1 XY XY XY B 图1无刷直流电动机的仿真模型 Fig.

1 Simulated model of BLDC

1 5 第2期赵向阳等: 无刷直流电动机转子退磁故障的检测方法 1.

2 反电动势的求解 反电动势的求解一直是无刷直流电动机建模时 较难解决的问题, 反电动势波形不理想会造成转矩 脉动增大, 相电流波形不理想等问题, 严重时甚至会 导致换相失败, 电机失控.因此, 准确求解反电动势 波形是无刷直流电动机仿真建模的关键问题之一. 反电动势的波形与永磁体性质、 形状, 齿槽结构以及 绕组方式有关 [10 ] .目前求取反电动势较常用的方 法有三种 [11 ] : ( 1) 有限元法.应用有限元法求得的 反电动势脉动小、 精度高.但方法复杂, 专业性强. ( 2) 傅里叶变换法.傅里叶变换法应用简单, 但需 要进行大量三角函数值的计算, 对仿真速度影响较 大.( 3) 分段线性化法.分段线性化法应用简单, 计算量小, 但只适用于反电动势波形比较规则的 情况. 电机转子发生故障后, 特别是局部磁缺损故障, 其反电动势不再是理想的梯形波, 需要进行特殊处 理.因此, 如何准确计算电机故障状态下的反电动 势, 是建立故障模型的关键. 图2所示为通过瞬态电磁场有限元计算求得的 电机 A 相绕组反电动势波形.可以看出, 在反电动 势波的 120°范围内, 即使在健康状态下, 反电动势 波形也不是理想的平顶波.这是因为本文电机采用 整数槽集中绕组, 故定子齿槽对磁场分布的影响较 大[12 ] .在故障状态下, 由于磁缺损的影响, 使电机 的反电动势产生大幅度下凹, 不再是理想的梯形波. 本文仿真的电机为