[发明专利]基于磁场分布监测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法

说明书

本发明公开一种基于磁场分布监测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法。首先在在稳态下，对永磁同步电机相发生匝间短路时的等效电路进行分析，得出一系列诊断步骤。通过所述诊断步骤，利用定子齿磁通的高频分量对电机是否发生匝间短路故障进行诊断。

技术领域

本发明涉及电机故障诊断技术。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、无电刷和滑环，无电励磁系统，运行可靠性高、功率密度大、电机的形状和尺寸灵活多样等多种显著优点。符合节能减排的经济发展需要，它不仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高效率。因此永磁同步电机在航空航天、数控机床、电动汽车、机器人等领域获得了广泛应用。

由于永磁同步电机应用范围广，工作环境恶劣，因此永磁电机不可避免的会出现各种故障。永磁同步电机常见的故障有匝间短路故障、失磁故障、转子偏心故障等。电机发生故障后电机效率会降低，严重的还可能会导致电机停转，甚至对电机造成永久性的损伤。如果不能及时发现，故障可能会造成巨大的经济损失，因此永磁同步电机故障诊断十分重要。

随着故障诊断技术的不断发展，人们致力于开发各类专用的电机故障诊断系统，并已成为近年来研究的重点。这方面虽然进展显著，但误判率高、准确度低，仍然是一个现实问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的问题，提供一种基于磁场分布监测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法。该方法利用磁通高频谐波对是否发生匝间短路进行诊断，相对于传统方法该方法具有更高的灵敏度(高频谐波来自逆变器，无需额外设备提供)。该方法得出的故障特征值不仅不受电机运行状态变化的影响，还能准确反映故障的严重程度。

值得说明的是，在稳态下，永磁同步电机A相发生匝间短路时的等效电路如图1所示(为了简化分析，认为所有短路绕组都在一个线圈内)：

忽略铁心饱和的影响，此时电机的电压方程为：

其中

L是相电感，M是相间互感，u是短路比(u＝N/N_F，N是一相绕组总匝数，n是短路匝数)。是永磁体在A相、B相、C相、短路绕组产生的磁链，R是相绕组电阻，R_F是短路绕组电阻，V₀中性点是零序电压。

电机仅存在匝间短路故障时，电机的转子仍是正常的，因此和电机正常运行时相同，并且

整理式(0.1)和式(0.2)可得：

通常电机由控制器控制，电机三相定子电流是对称的，那么设：式(0.3)可以简化为：

求解上式可得：

根据电机的对称性，电机正常运行时，短路绕组两端电压为：

结合式(0.4)和式(0.5)可知，匝间短路和正常时，故障绕组两端的电压满足：

通常，绕组内阻远小于绕组的电抗，忽略绕组内阻上式可以进一步简化为：

对于集中绕组电机，故障处定子齿上的磁通和故障绕组电压满足：

因此，匝间短路和正常时，故障处磁通满足：