本發(fā)明涉及基于定子電流小波包分析的永磁機軸承點蝕故障檢測方法，屬于永磁電機軸承故障檢測技術領域。

背景技術：

作為傳動機械，永磁電機由于其功率密度大、損耗低、功率因數(shù)高等優(yōu)點，在工業(yè)應用中占據(jù)著重要的地位，因此，其安全性便至關重要。在所有電機故障中，軸承故障占50％左右，是電機的主要故障形式之一，故而軸承的故障檢測是電機故障檢測的重要內(nèi)容。在軸承發(fā)生故障初期能夠檢測到故障信息，對于電機的安全、維護等都有著重大意義。

傳統(tǒng)的檢測方法是采用定期檢修維護的方式進行電機的故障檢測，這種方法的缺點很明顯，不夠快捷，且很不方便，不能達到實時監(jiān)測的目的。當電機軸承出現(xiàn)故障時，電機轉(zhuǎn)軸會發(fā)生震動，從而可以用加速度傳感器檢測轉(zhuǎn)軸的震動信號，對震動信號進行提取，可以得到軸承故障信息。然而這種方法需要增加額外的傳感器，且震動信號受工況影響很大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供基于定子電流小波包分析的永磁機軸承點蝕故障檢測方法，利用永磁電機的定子電流進行故障診斷。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

基于定子電流小波包分析的永磁機軸承點蝕故障檢測方法，包括如下步驟：

步驟1，對永磁同步電機的定子電流進行采樣，得到采樣電流信號；

步驟2，根據(jù)永磁同步電機的轉(zhuǎn)速，計算電機軸承發(fā)生點蝕故障時內(nèi)外圈的點蝕故障頻率；

步驟3，根據(jù)定子電流的采樣頻率和內(nèi)外圈的點蝕故障頻率計算內(nèi)外圈對應的小波包節(jié)點；

步驟4，對采樣電流信號進行小波包分析，得到內(nèi)外圈對應的小波包節(jié)點系數(shù)，對內(nèi)外圈相應的小波包節(jié)點系數(shù)求均方根，根據(jù)均方根判斷內(nèi)外圈的故障情況。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟2所述內(nèi)圈的點蝕故障頻率計算公式為：

其中，firf表示內(nèi)圈的點蝕故障頻率，n表示滾動體數(shù)目，db表示滾動體直徑，dc表示保持架直徑，α表示滾動體與外圈的接觸角，fr表示永磁同步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟2所述外圈的點蝕故障頻率計算公式為：

其中，forf表示外圈的點蝕故障頻率，n表示滾動體數(shù)目，db表示滾動體直徑，dc表示保持架直徑，α表示滾動體與外圈的接觸角，fr表示永磁同步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟4所述根據(jù)均方根判斷內(nèi)外圈的故障情況具體為：設定一段時間，若內(nèi)圈相應的小波包節(jié)點系數(shù)的均方根在該段時間內(nèi)不斷增大，則判斷內(nèi)圈發(fā)生點蝕故障，并發(fā)出警報；若外圈相應的小波包節(jié)點系數(shù)的均方根在該段時間內(nèi)不斷增大，則判斷外圈發(fā)生點蝕故障，并發(fā)出警報。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述永磁同步電機為方波控制的永磁同步電機或正弦波控制的永磁同步電機。

本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：

1、本發(fā)明永磁機軸承點蝕故障檢測方法，利用永磁機的定子電流進行故障診斷，通過小波包分析方法對定子電流進行信號分析，具有很好的時頻分析特性，適于電機故障信號的提取。

2、本發(fā)明永磁機軸承點蝕故障檢測方法，在軸承發(fā)生故障初期能夠檢測到故障信息，對于電機的安全、維護等有著重大意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于定子電流小波包分析的永磁機軸承點蝕故障檢測方法的流程圖。

圖2是電機軸承截面示意圖。

圖3是永磁電機等效電路模型。

圖4是無刷直流電機無故障時母線電流在小波包分析下的節(jié)點系數(shù)波形圖。

圖5、圖6、圖7、圖8、圖9分別是在故障程度從低到高時，小波包分析下的節(jié)點系數(shù)波形圖。

圖10是圖4-圖9波形的均方根折線圖。

圖11是正弦波控制的永磁同步電機無故障時的小波包分析下的節(jié)點系數(shù)波形圖。

圖12、圖13、圖14、圖15、圖16分別是正弦波控制的永磁同步電機在故障程度從低到高時，小波包分析下的節(jié)點系數(shù)波形圖。

圖17是圖11-圖16波形的均方根折線圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

電機的定子電流中包含豐富的信息，目前已經(jīng)在許多電機故障中得到成功的應用。當軸承發(fā)生點蝕故障時，轉(zhuǎn)軸發(fā)生震動，導致電機原本很小的氣隙發(fā)生變化，從而使得定子電流發(fā)生相應的變化。軸承出現(xiàn)點蝕故障后，定子電流中包含的故障信號較小，所以需要使用合適的信號分析方法對軸承故障信號進行提取。小波包分析是目前非常流行的信號分析方法，它具有很好的時頻分析特性，適于電機故障信號的提取。

當電機軸承發(fā)生點蝕故障時，電機的轉(zhuǎn)軸會以一個與轉(zhuǎn)速和故障位置相關的頻率發(fā)生震動，而轉(zhuǎn)軸的震動會帶動電機定轉(zhuǎn)子間原本很小的氣隙發(fā)生變化，從而會在定子電流上感應出相應的諧波含量。電機整體的震動不影響定子電流的變化，故而工況對其影響較小。永磁電機分正弦波控制和方波控制兩種，方波控制成為無刷直流電機，無刷直流電機采用22導通的通電方式，故而每個電周期內(nèi)一相只導通2/3個周期，而母線電流則一直保持連續(xù)，故而選擇母線電流作為檢測目標；而正弦波控制的永磁同步電機的相電流保持連續(xù)，故而選擇相電流為檢測目標。由于電流中包含的故障信號十分微弱，所以需要選擇先進的信號分析算法進行信號提取。小波包分析是一種多分辨率分析法，可以按頻段對信號進行剝離，當確定電機故障頻率后，則可以確定與之相應的小波包節(jié)點，根據(jù)節(jié)點系數(shù)可以確定故障情況。

軸承發(fā)生內(nèi)圈、外圈點蝕故障時，可以由下面的公式得到對應的故障震動特征頻率：

其中，forf表示外圈點蝕故障頻率，firf表示內(nèi)圈點蝕故障頻率，fr表示電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率，n表示滾動體數(shù)目，db表示滾動體直徑，dc表示保持架直徑，α表示滾動體與外圈的接觸角。

電機軸承截面示意圖如圖2所示。

1、無刷直流電機

在無刷直流電機中，當軸承發(fā)生故障后，電機轉(zhuǎn)速受到一個與故障頻率同頻的震動，則轉(zhuǎn)速可以表示為：

n＝n0+δn·cos(2πfc·t)(3)

其中，n表示電機轉(zhuǎn)速，n0表示轉(zhuǎn)速的常量部分，δn表示轉(zhuǎn)速波動幅值，fc表示電機軸承故障頻率，t表示時間。永磁式同步電機的反電勢和轉(zhuǎn)速呈正比關系，故而可得電機的反電勢如下所示：

e＝e0+δe·cos(2πfc·t)(4)

其中，e表示電機反電勢，e0表示反電勢的常量部分，δe表示反電勢的波動幅值。根據(jù)電路原理，可得母線電流為：

其中，idc表示母線電流，udc表示電機母線電壓，p表示微分算子，ls表示電機相電感，r表示電機相電阻，i0表示電流的常量部分，δi表示電流波動的幅值。由此可知，定子電流中包含與故障頻率同頻的諧波含量。

2、正弦波控制永磁同步電機

永磁電機故障后，會導致電機的電磁功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等發(fā)生改變，所以設故障后的電磁功率、機械角速度及電磁轉(zhuǎn)矩分別為pe′、ωr′、te′。根據(jù)同步電機在dq坐標系下的等效電路模型(如圖3所示)可知，電機的電磁功率在軸承故障時可以表述為：

其中，pe′表示電機的電磁功率，p表示電機的極對數(shù)，ωr表示健康狀態(tài)下的電機轉(zhuǎn)子角速度，δωr表示電機角速度波動，id、iq分別表示電機dq軸在軸承健康情況下的電流值，δiq、δid分別表示電機軸承故障時交直軸電流的波動，λaf表示永磁磁鏈。其中，δiq、δid均很小，從而可以得到電磁功率的變化量為：

其中，δpe表示電磁功率波動。則電磁轉(zhuǎn)矩增量可表示為：

其中，δte表示電磁功率波動。另一方面，q軸電流由轉(zhuǎn)速環(huán)經(jīng)過pi調(diào)節(jié)得到，所以，q軸電流同轉(zhuǎn)速有著相同的變化趨勢，根據(jù)運動方程：

其中，j表示電機的轉(zhuǎn)動慣量，δtl表示負載轉(zhuǎn)矩的波動。將式(8)帶入，可得：

由于δωr和δiq有相同的變化規(guī)律，故而從微分方程中可以看出，穩(wěn)態(tài)時，δωr的變化規(guī)律同δtl一致，從而可以推知，δiq、δωr、δte、δtl的特征函數(shù)相同。

設δtl為δгlcos(2πfct)，由上述分析可以得知，δiq可設為其中表示電流波動的初相。電機a相電流可表示為：

i′a＝cosθ·(iq+δiq)+sinθ·δid(11)

其中，θ表示電機電角度，可由下面公式求得：

θ＝∫p·ωrdt(12)

將ω＝2πf帶入式(11)，可得：

從中可以看出，故障信號在電流ia上表現(xiàn)出來的諧波頻率為pfr±fc。

小波包分析是一種多分辨率信號分析方法，選擇合適的小波基函數(shù)，可以將信號按照頻段進行剝離。對電流信號進行小波包分析，確定故障頻率后計算得到對應的小波節(jié)點。對小波節(jié)點進行信號重構(gòu)，則可得到故障信息。

如圖1所示，本發(fā)明用小波包分析檢測電機軸承故障可以分為下面幾個步驟：

步驟1，對定子電流進行采樣；

步驟2，由電機轉(zhuǎn)速計算出內(nèi)外圈故障頻率；

步驟3，根據(jù)采樣頻率和故障頻率計算出對應的小波包節(jié)點；

步驟4，對信號進行小波包分析，并對相應節(jié)點系數(shù)求均方根，判斷故障情況。

如圖4所示，為無刷直流電機在無故障時母線電流在小波包分析下的節(jié)點系數(shù)波形，如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示，分別為無刷直流電機在故障程度從低到高時，小波包分析下的節(jié)點系數(shù)波形，如圖10所示，為圖4-圖8波形的均方根折線圖。

如圖11所示，為正弦波控制的永磁同步電機無故障時的小波包分析下的節(jié)點系數(shù)波形，如圖12、圖13、圖14、圖15、圖16所示，分別為正弦波控制永磁同步電機在故障程度從低到高時，小波包分析下的節(jié)點系數(shù)波形，如圖17所示，為圖11-圖16波形的均方根折線圖。

從圖中可以看出，δtl在不斷增大時，永磁機軸承出現(xiàn)了點蝕故障，而δtl與時間t有關。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。