本發(fā)明屬于故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種適用于永磁電機轉(zhuǎn)子的故障診斷方法。

背景技術(shù)：

永磁電機具有功率密度高、效率高、易于控制等優(yōu)點。近年來，在風力發(fā)電、電動汽車、數(shù)控機床等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。永磁轉(zhuǎn)子是永磁電機中最關(guān)鍵的部件之一，它關(guān)系到電機的性能、效率及可靠運行。但是，電機在運行過程中，其永磁轉(zhuǎn)子可能會出現(xiàn)局部退磁、均勻退磁以及偏心故障。為了確保系統(tǒng)高效可靠地運行，有必要監(jiān)測永磁電機的退磁和偏心故障。

目前，已經(jīng)提出了一些能夠用于診斷永磁電機退磁和偏心故障的診斷方法，其中最常用的方法是基于電機定子電流信號的分析方法。該方法根據(jù)電機電流中是否存在某些頻率分量來判斷電機是否存在故障。但是，該方法存在一些不足，主要包括：1)局部退磁在某些定子繞組結(jié)構(gòu)下并不會產(chǎn)生新的頻譜分量；2)負載波動、偏心和局部退磁產(chǎn)生的故障特征頻率相同，很難從電機頻譜角度將他們區(qū)分開來。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種適用于永磁電機轉(zhuǎn)子的故障診斷方法。該方法簡單，易于實現(xiàn)，可以有效地診斷并聯(lián)支路數(shù)大于1的永磁電機是否存在轉(zhuǎn)子故障。同時，該方法能夠區(qū)分局部退磁、均勻退磁及偏心故障。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種適用于永磁電機轉(zhuǎn)子的故障診斷方法，包括以下步驟：

(1)將被測試電機和負載脫開，通過逆變器控制被測試的永磁電機，使其轉(zhuǎn)速ω₁為額定轉(zhuǎn)速的一半左右(40％～60％)，并測量電機的線電壓和線電流，根據(jù)線電壓和線電流得到電機的輸入功率，即得到轉(zhuǎn)速ω₁下的空載損耗p_T1；

(2)根據(jù)電機的空載損耗p_T1計算轉(zhuǎn)速ω₁下的空載損耗增加系數(shù)k₁。

其中，p_H1為電機正常時，轉(zhuǎn)速ω₁下的空載損耗；

若k₁≥Thr₁，則被測試電機存在偏心故障，Thr₁為偏心閾值；空載損耗增加系數(shù)k₁越大，偏心故障越嚴重。

進一步地，所述Thr₁為5％。

進一步地，該方法還包括退磁故障的判斷，具體為：

當k₁<Thr₁，將被測試電機和負載脫開，通過逆變器控制被測試的永磁電機，使運行于一個較低的轉(zhuǎn)速ω₂，并測量電機的線電壓和線電流，根據(jù)線電壓和線電流得到電機的輸入功率，即得到轉(zhuǎn)速ω₂下的空載損耗p_T2；

根據(jù)電機的空載損耗p_T2計算轉(zhuǎn)速ω₂下的空載損耗增加系數(shù)k₂。

其中，p_H2為電機正常時，轉(zhuǎn)速ω₂下的空載損耗；

k₂≥Thr₂，則認為電機存在局部退磁故障，Thr₂為退磁閾值；k₂越大，局部退磁故障越嚴重。

若k₂<Thr₄，且k₁<Thr₃,則認為電機存在均勻退磁故障，k₂越大，均勻退磁故障越嚴重。

進一步地，所述Thr₂為5％。所述Thr₃為-5％，Thr₄為1％。

進一步地，所述ω₂為100～300轉(zhuǎn)每分。

進一步地，所述步驟(1)中，所述永磁電機的額定轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)每分，ω₁為1200轉(zhuǎn)每分。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的轉(zhuǎn)子故障診斷方法計算簡單，易于實現(xiàn)，不需要電機的參數(shù)；不僅能夠判斷電機轉(zhuǎn)子是否故障，還能區(qū)分局部退磁、均勻退磁及偏心故障。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實驗裝置圖；

圖2為永磁電機轉(zhuǎn)子故障診斷的流程圖。

具體實施方式

為了更加具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

圖1給出了本發(fā)明的實驗裝置圖。將電機和負載脫開，然后利用驅(qū)動器將電機分別驅(qū)動到低速和中速。利用電壓和電流傳感器獲取電機的線電壓和線電流，并據(jù)此計算出電機的空載損耗。利用被測電機的空載損耗和正常電機的空載損耗，可判斷出永磁電機的轉(zhuǎn)子故障與否及故障類型。

當電機的每極每相槽數(shù)q為整數(shù)時，電機的局部退磁故障并不會在電機的相電流中引入新的故障特征分量。但是，如果永磁電機的并聯(lián)支路數(shù)大于1，則電機的并聯(lián)支路之間會產(chǎn)生較大的環(huán)流，他們的頻率為

式中，n是奇數(shù)，p是電機的極對數(shù)，f₁是電機的基波頻率。

分析電機環(huán)流可以有效診斷電機的轉(zhuǎn)子故障。然而，不能從電機外部測量電機的環(huán)流。環(huán)流會增大電機的損耗。根據(jù)永磁電機的基礎(chǔ)知識可知，永磁電機的損耗主要包括鐵芯損耗、銅耗、永磁體的渦流損耗、風磨耗、控制器引起的諧波損耗等。

正常的永磁電機空載低速運行時，電機的鐵耗、渦流損耗及風磨耗較小，銅耗非常小。當電機發(fā)生局部退磁故障時，由于電機的運行頻率較低，所以環(huán)流產(chǎn)生的銅耗成為主要的損耗增加部分。由于此時電機總的損耗很小，所以環(huán)流的銅耗會使局部退磁電機的空載損耗增加比例較大。因此，電機發(fā)生局部退磁故障時，其低速空載損耗增加系數(shù)k₁相對較大。隨著電機轉(zhuǎn)速提高，電機的鐵損會逐步加大，此時主要的損耗是電機的鐵損。局部退磁對鐵損的影響較小。盡管此時環(huán)流仍然會有一定的增加，但是其增加幅度與鐵損相比較小，因此電機的空載損耗增加比例會隨著電機轉(zhuǎn)速的增加逐步降低。因此，電機發(fā)生局部退磁故障時，其中速空載損耗增加系數(shù)相對較小。通過大量試驗表明，當電機在中速時空載損耗增加系數(shù)k₁<Thr₁且k₂≥Thr₂時，可認為電機發(fā)生了局部退磁故障，且Thr₁取5％，Thr₂取5％。

電機的偏心故障會使電機的并聯(lián)支路中產(chǎn)生環(huán)流。因此，電機空載低速運行時，其損耗增加系數(shù)也會大于零。當電機在中速運行時，由于電機的氣隙不均勻，因此電機部分鐵芯中的氣隙磁密增加，偏心使鐵損增加。此外，電機偏心時，由于單邊磁拉力的存在，電機的摩擦損耗增大。所以，偏心電機在中速運行時，其損耗增加系數(shù)相對較大。通過大量試驗表明，當電機在中速時空載損耗增加系數(shù)k₁≥Thr₁時，即可認為電機發(fā)生了偏心故障。

當電機發(fā)生均勻退磁時，電機的支路中不會產(chǎn)生環(huán)流，且電機中諧波含量也不會增加。電機發(fā)生均勻退磁時，由于電機磁密降低，電機在低速和中速時的空載損耗都會減小。考慮到電機在低速時總的損耗較小，較小的誤差就可能使空載損耗增加系數(shù)發(fā)生較大變化，因此可將低速的損耗增加系數(shù)的范圍適當放寬，主要通過中速時的損耗增加系數(shù)來判斷。通過大量試驗表明，當電機在中速時的空載損耗增加系數(shù)k₁<Thr₃且低速時的空載損耗增加系數(shù)k₂<Thr₄時，可認為電機發(fā)生了均勻退磁故障，且Thr₃取5％，Thr₄取1％。

從上面的分析可知，綜合考慮電機在低速和中速時的空載損耗增加系數(shù)可判斷電機是否存在故障。如果存在故障，還能判斷出電機的故障類型。

根據(jù)上述理論，本發(fā)明具體的實施步驟如圖2所示：

(1)將被測試電機和負載脫開。利用驅(qū)動器使被測電機運行于中速ω₁(選取為1200轉(zhuǎn)每分)，并測量電機的兩個線電壓和兩個線電流。其中兩個線電壓記為v_ba、v_ca，兩個線電流記為i_a，i_b。

(2)計算電機在低速時的空載損耗p_T1。其計算表達式為

p_T1＝v_aci_a+v_bci_b (4)

(3)根據(jù)正常電機在中速時(1200轉(zhuǎn)每分)的空載損耗p_H1，計算電機低速運行時的空載損耗增加系數(shù)k₁。其計算表達式為

其中，正常電機在中速時的空載損耗需提前測試得到。

(4)根據(jù)k₁判斷電機是否存在偏心故障。若k₁≥Thr₁，則認為電機發(fā)生偏心故障。空載損耗增加系數(shù)k₁越大，偏心故障越嚴重。其中，閾值Thr₁需通過實驗測試得到，一般可取5％。

(5)如果電機不存在偏心故障，即k₁<Thr₁，則利用驅(qū)動器使被測電機運行于低速(100轉(zhuǎn)每分)，并重復(fù)步驟(1)-(3)，得到電機低速時的空載損耗增加系數(shù)k₂。

根據(jù)系數(shù)k₁和k₂判斷電機是否存在退磁故障，并區(qū)分是局部退磁故障還是均勻退磁故障。其判斷方法為：(6A)若k₂≥Thr₂，則判斷被測試電機存在局部退磁故障。k₂越大，局部退磁故障越嚴重。其中，閾值Thr₂需通過實驗測試得到，一般可取5％。(6B)若k₁<Thr₃且k₂<Thr₄，則判斷電機為均勻退磁故障。k₂越大，均勻退磁故障越嚴重。其中，閾值Thr₃和Thr₄理論上應(yīng)該是零。這兩個值也需要通過實驗測試得到。一般考慮到噪聲及低速時空載損耗很小等原因，Thr₄可適當放寬，取1％，而Thr₃可取為-5％。

實施例一：針對實驗室一臺正常電機、一臺局部退磁電機以及一臺偏心電機做低速和中速空載損耗測試。電機的功率為15kw，每極每相槽數(shù)3，并聯(lián)支路數(shù)為2。

測試結(jié)果為：當電機發(fā)生偏心故障時，其中速時空載損耗增加系數(shù)k₁為11.07％，大于閾值5％；當電機發(fā)生局部退磁故障時，其中速時的空載損耗系數(shù)k₁為3.71％，低速時的空載損耗系數(shù)k₂為12.97％，符合k₁<5％，k₂≥5％的判斷條件。