永磁同步電機(jī)偏心故障檢測方案設(shè)計摘要隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，永磁同步電機(jī)成為現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的一部分。電機(jī)作為工業(yè)設(shè)備的核心，它的運(yùn)行狀況會對工業(yè)設(shè)備的工作效率和穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。轉(zhuǎn)子的動偏心是電機(jī)較為常見的一種故障，而工業(yè)電機(jī)因工作環(huán)境原因更容易發(fā)生偏心故障，工業(yè)電機(jī)一旦發(fā)生偏心故障將對正常工業(yè)生產(chǎn)帶來影響。轉(zhuǎn)子偏心會改變電機(jī)氣隙大小及磁場分布，氣隙磁場改變的同時，徑向電磁力也會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不平衡磁拉力。對電機(jī)的安全運(yùn)行和正常的工業(yè)生產(chǎn)造成安全隱患。因此，論文以常用的永磁同步電機(jī)為研究對象，著重于對偏心故障下電機(jī)內(nèi)部磁場的分析及偏心檢測方法的研究。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；動偏心故障；有限元分析；氣隙磁場。目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 2第一章緒論 11.1研究背景和意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3有限元分析法的介紹 21.4論文的主要工作 3第二章偏心故障下永磁同步電機(jī)不平衡磁拉力分析 42.1引言 42.2不平衡磁拉力的理論計算 42.3偏心故障下電機(jī)不平衡磁拉力的有限元仿真 62.3.1建立永磁同步電機(jī)ansoft仿真模型 62.3.2偏心故障下徑向電磁力仿真分析 92.3.3不平衡磁拉力和偏心程度的關(guān)系 10第三章偏心故障下永磁同步電機(jī)氣隙磁場分析3.1引言 123.2永磁同步電機(jī)氣隙磁場解析理論分析 123.2.1氣隙磁導(dǎo)分析 123.2.2氣隙磁場分析 133.3空載條件下正常永磁同步電機(jī)氣隙磁場的有限元分析 14第四章永磁同步電機(jī)偏心故障檢測方案設(shè)計 174.1引言 174.2偏心故障檢測方案選擇 17第五章結(jié)論與展望 185.1總結(jié) 185.2展望 18參考文獻(xiàn) 19第一章緒論1.1研究背景和意義隨著工業(yè)社會的發(fā)展，電機(jī)的使用已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的各個方面，極大地促進(jìn)了生產(chǎn)生活的便利和生產(chǎn)的發(fā)展。電機(jī)在工業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展中扮演著不可或缺的重要角色。電機(jī)可能出現(xiàn)的故障主要分為：（1）定子方面的故障：定子鐵芯故障以及斷路、匝間短路和相間短路等；（2）轉(zhuǎn)子方面的故障：軸承彎曲、端環(huán)斷裂、轉(zhuǎn)子繞組短路、導(dǎo)條開焊；（3）機(jī)械方面的故障：軸承損裂、定轉(zhuǎn)子碰撞。這些故障的出現(xiàn)將嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。每年因電機(jī)故障所造成的經(jīng)濟(jì)損失無法估量。這些損失不但包括了電機(jī)本身的成本，也包括因電機(jī)損壞停產(chǎn)所造成的其它經(jīng)濟(jì)損失。隨著社會的發(fā)展和工業(yè)化程度的提高，人們對電機(jī)能夠可靠運(yùn)行的要求也越來越高。電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心故障是一種常見故障，電機(jī)轉(zhuǎn)子一旦偏心，氣隙的寬度就不再是均勻的，這將造成氣隙磁場發(fā)生變化，定轉(zhuǎn)子間將會出現(xiàn)不平衡磁拉力，這種不平衡磁拉力會惡化電機(jī)性能，加深偏心的程度，造成氣隙磁場的畸變。所以對電機(jī)偏心故障進(jìn)行診斷研究，預(yù)防偏心故障程度加深，對保障正常的工業(yè)生產(chǎn)具有重大的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀根據(jù)以往在分析電機(jī)電流信號的基礎(chǔ)上，對偏心檢測方面具有頗深的研究經(jīng)驗。如果感應(yīng)電機(jī)存在偏心故障，將會有一些頻率特定的電流分流存在于定子繞組中經(jīng)過多方面的實驗研究證實，找到了繞組函數(shù)法，為氣隙偏心的進(jìn)一步研究打下了堅實的基礎(chǔ)，也提出了相應(yīng)的感應(yīng)電機(jī)多回路模型，在正弦電壓激勵基礎(chǔ)下，對無故障電機(jī)的啟動性能給予仿真，取得了較好的應(yīng)用效果，在此模型的基礎(chǔ)下，對各種感應(yīng)電機(jī)故障進(jìn)行分析，比如定子繞組短路、定子繞組開路、轉(zhuǎn)子斷條、轉(zhuǎn)子斷環(huán)等，得到了效果較好的故障特征。比如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及電流等。在此模型中氣隙是均勻的，在電感的計算過程中，很容易體現(xiàn)氣隙偏心效果，在后來的研究中，是具有支持作用的理論依據(jù)。在研究過程中，多回路模型應(yīng)用的比較多，在電感矩陣的計算中，體現(xiàn)出靜態(tài)氣隙偏心，并使用氣隙長度增大的方法對鐵心磁壓降進(jìn)行考慮，事實驗證，在電感計算中確實存在氣隙偏心現(xiàn)象，但是定子繞組間之間的互感是有區(qū)別的。隨后，對靜態(tài)偏心和無偏心情形下的空載啟動性能之間的差異進(jìn)行比較，主要包括定子磁鏈曲線、轉(zhuǎn)子磁鏈曲線、轉(zhuǎn)速曲線、轉(zhuǎn)矩曲線、定子電流曲線、轉(zhuǎn)子電流曲線等等，研究結(jié)果顯示，在感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行的過程中，如果存在靜態(tài)偏心現(xiàn)象，將會延長電機(jī)的啟動時間。在感應(yīng)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)的情形下，如果轉(zhuǎn)子電流增大，將會使電機(jī)的穩(wěn)態(tài)升溫。有常見的幾種診斷方法：（1）基于信號處理的方法基于信號處理的方法，通常是利用信號模型（如相關(guān)函數(shù)、頻譜、小波變換等）這些可以直接分析可測信號，或者間接利用幅值、頻率、電流等值，以這些為依據(jù)進(jìn)行故障分析。（2）基于解析模型的方法基于解析模型的方法是以診斷對象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，按照一定的數(shù)學(xué)方法對被測信息進(jìn)行診斷處理，其優(yōu)點(diǎn)是能深入系統(tǒng)本質(zhì)的動態(tài)性質(zhì)和實現(xiàn)實時診斷。（3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法。（4）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork）具有大規(guī)模并行分布處理、聯(lián)想記憶、自組織學(xué)習(xí)、容錯性等優(yōu)良特性，對于非確定性的知識具有極強(qiáng)的處理能力，能夠解決許多傳統(tǒng)方法所無法解決的問題。然而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一些缺點(diǎn)限制了他的一些應(yīng)用，如：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以確定、局部極點(diǎn)小等問題。另外還有很多其它的智能診斷方法，然而每種診斷方法都有其局限性和缺點(diǎn)，因此將多種方法相結(jié)合的綜合故障診斷技術(shù)已經(jīng)成為一個新的研究熱點(diǎn)。1.3有限元分析法的介紹有限元分析（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。利用簡單而又相互作用的元素，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。因為實際問題被較簡單的問題所代替，所以這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值計算方法。1.4論文的主要工作本文的主要目的旨在通過對偏心故障下電機(jī)內(nèi)部磁場和不平衡磁拉力變化情況的分析，設(shè)計一種新的偏心故障檢測方案。該方案利用霍爾傳感模塊和多點(diǎn)測量技術(shù)構(gòu)建磁場采集裝置，利用傅里葉變換方法處理磁場數(shù)據(jù)提取故障特征，實現(xiàn)永磁同步電機(jī)偏心故障檢測。主要工作內(nèi)容概括如下：（1）采用數(shù)值計算方法對偏心故障下永磁同步電機(jī)的不平衡磁拉力公式進(jìn)行推導(dǎo)，并利用ansoft仿真軟件建立永磁同步電機(jī)二維模型，對永磁同步電機(jī)在不同程度偏心程度下的磁拉力進(jìn)行分析，揭示了不平衡磁拉力隨偏心率的變化規(guī)律：改變電機(jī)運(yùn)行負(fù)載，利用有限元方法探究發(fā)生偏心故障的永磁同步電機(jī)分別在電機(jī)空載、0.5倍額定負(fù)載和額定負(fù)載情況下不平衡磁拉力的變化情況。（2）探究偏心故障下永磁同步電機(jī)氣隙磁場的變化情況。首先采用解析方法對正常電機(jī)和偏心故障電機(jī)的氣隙磁場進(jìn)行分析。接著利用有限元方法對電機(jī)氣隙磁場進(jìn)行計算，將空載正常運(yùn)行情況下的磁場分布和氣隙磁密與不同程度偏心電機(jī)的磁場分布和氣隙磁密進(jìn)行對比，確定了偏心故障及不同偏心程度下電機(jī)氣隙磁場的變化特征。采用傅里葉變換對氣隙磁場的諧波進(jìn)行分解，得到各個階次諧波在電機(jī)偏心故障下的分布情況。（3）在前面的理論分析和仿真驗證的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前檢測方法的不足和對偏心故障檢測的需求分析，設(shè)計一種利用傳感器檢測氣隙內(nèi)多點(diǎn)磁場信息判斷偏心故障的檢測方案。檢測系統(tǒng)包括傳感電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及上位機(jī)處理模塊，通過對磁場的信息采集、處理并對比對故障特性判斷偏心故障類型及最小氣隙位置。最后利用有限元模型對檢測方案的有效性進(jìn)行仿真驗證。

偏心故障下永磁同步電機(jī)不平衡磁拉力分析2.1引言電機(jī)的偏心故障常常伴隨著不平衡磁拉力的產(chǎn)生，是因為偏心導(dǎo)致氣隙磁場變化。先對不平衡磁拉力進(jìn)行公式理論推導(dǎo)，然后建立永磁同步電機(jī)的二維有限元模型，對電機(jī)在不同偏心狀態(tài)下的不平衡磁拉力進(jìn)行仿真。2.2不平衡磁拉力的理論計算不平衡磁拉力就是麥克斯韋力，由麥克斯韋張力法，可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)子單位面積上的電磁力F,單位面積上的電磁力F又可以分解為徑向分量Fr和切向分量F圖2.1電磁力徑向分力和切向分力示意圖徑向分量Fr和切向分量FF(2-1)F(2-2)式中：BrBtμ0由麥克斯韋法可以推導(dǎo)出單位長度上的徑向電磁力為：F(2-3)做出電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑和定子內(nèi)徑的偏心示意圖如圖2.2所示。其中c1、c2為初始圓心和偏心后圓心，s是沿轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心的偏心距離，α是定子內(nèi)圓中任一點(diǎn)和圓心所連直線同偏心方向所構(gòu)成的夾角，則該徑向電磁力在偏心方向所受的分解力為Frl,其中FF=(2-4)式中：R——定子鐵心內(nèi)徑。在知道氣隙磁密B的分布情況后，代入式（2-4）可得不平衡磁拉力的表達(dá)式：F(2-5)設(shè)圓周上的任意一個點(diǎn)k的極坐標(biāo)（rk+1，θk），該點(diǎn)處的氣隙磁密是BkF(2-6)其中n為轉(zhuǎn)子圓周上的任一點(diǎn)，m是轉(zhuǎn)子圓周分解的總點(diǎn)數(shù)。轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的全部不平衡磁拉力是：F(2-7)式中：ld對x軸和y軸方向上的電磁力進(jìn)行積分，可得到不平衡磁拉力在x軸和y軸上的分量：F(2-8)圖2.2轉(zhuǎn)子偏心示意圖2.3偏心故障下電機(jī)不平衡磁拉力的有限元仿真2.3.1建立永磁同步電機(jī)ansoft仿真模型首先在RMxpert中新建要解的模型→設(shè)置模型各個部分參數(shù)及材料→對設(shè)置好的RMxpert模型進(jìn)行求解→生成maxwell3D模型→轉(zhuǎn)子偏心及激勵設(shè)置→進(jìn)行仿真運(yùn)算。1.永磁同步電機(jī)的基本參數(shù)本文使用的仿真的永磁同步電機(jī)的基本參數(shù)如下表2.1。額定功率（KW）1.1定子外徑（mm）145額定電壓（V）220定子內(nèi)徑（mm）79額定轉(zhuǎn)速（rpm）1500鐵心長度（mm）76功率因數(shù)0.95轉(zhuǎn)子外徑（mm）77繞組連接方式Y(jié)槽數(shù)24極對數(shù)2氣隙寬度（mm）1表2.1永磁同步電機(jī)的基本參數(shù)2.永磁同步電機(jī)的基本假設(shè)1）電機(jī)鐵芯所受外部磁場的影響不計，轉(zhuǎn)軸是絕對磁絕緣的；2）不考慮鐵芯邊緣結(jié)構(gòu)對電機(jī)內(nèi)部磁場的影響；3）假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子所用的材料具有同向性；4）不計電機(jī)繞組產(chǎn)生的溫度的影響。3.永磁同步電機(jī)模型邊界條件的設(shè)置有限元方法的本質(zhì)是求解矩陣方程的過程，要得到一組解，必須有確定的求解條件。方程的定解條件和邊界條件在有限元方法中具有相同的函數(shù)。因此，正確地設(shè)置邊界條件，是順利求解矩陣方程和保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性的前提。邊界條件就是在仿真模型的邊緣設(shè)置的已知條件。有限元中常用的已知條件有諾依曼邊界條件：??(2-9)式（2-9）中，n表示邊界外法線矢量，г表示諾依曼邊界。h(г)和f(г)是一般函數(shù)，也可以是零和常數(shù)，在邊界條件齊次化時其值可以為零。該邊界條件在Ansoft中的RMxpert模塊會自行在計算的過程由軟件調(diào)節(jié)，不需人為設(shè)定。有限元法中經(jīng)常用到的邊界條件還有自然邊界條件。自然邊界條件是指兩種材料不同的材質(zhì)的接觸邊界的切向和法向回歸到自然邊界。采用的永磁同步電機(jī)的所用材料如下圖2.2所示。電機(jī)部件材料電機(jī)部件材料定子鐵心DW465-50轉(zhuǎn)子鐵心DW465-50定子導(dǎo)體銅定子求解域空氣永磁體XG196/96氣隙空氣表2.2永磁同步電機(jī)各部分材料設(shè)置模型的生成把所有設(shè)置和材料在AnsoftMaxwell的Rmxpert模塊中進(jìn)行設(shè)置，如圖2.3所示。圖2.3RMxpert模塊參數(shù)設(shè)置生成的RMxpert模型導(dǎo)入Maxwell3D模型如圖2.4。圖2.4永磁同步電機(jī)二維模型圖偏心模型的設(shè)置本文后續(xù)研究要基于永磁同步電機(jī)3D模型進(jìn)行，需要基于不同程度偏心故障進(jìn)行分析和仿真驗證，因此需要建立不同的偏心模型。為了便于分析，引入偏心度k來測量轉(zhuǎn)子偏心程度的大小k=(2-10)式中：s——轉(zhuǎn)子偏心距離；g——?dú)庀堕L度。2.3.2偏心故障下徑向電磁力仿真分析采用有限元分析法對正常電機(jī)和不同偏心率下的電機(jī)的徑向電磁力進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行對比。通過有限元方法計算得到空載的正常電機(jī)的氣隙各點(diǎn)處的徑向電磁力密度如圖2.4所示由圖2.4可知，徑向電磁力的波峰和電極磁極對應(yīng)，空載正常電機(jī)的各磁極下的電磁力密度基本相同且呈對稱周期分布。由此可知，在沒有偏心故障出現(xiàn)的正常電機(jī)的各磁極產(chǎn)生的電磁力完全相同，以此保障轉(zhuǎn)子在各個方向所受磁拉力平衡，此時沒有不平衡磁拉力產(chǎn)生，電機(jī)可以保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)相鄰兩磁極間隙的電磁力密度為0，從磁極邊緣到中間電磁力密度的幅值有所增加，這與永磁體所產(chǎn)生的磁場規(guī)律相同。為了分析電機(jī)的偏心故障對不平衡磁拉力的影響，采用麥克斯韋應(yīng)力計算偏心度分別為20%和40%的電機(jī)的徑向電磁密度，將得到的結(jié)果和正常電機(jī)進(jìn)行對比，徑向電磁力密度對比圖如下圖2.4所示。圖2.4空載正常電機(jī)徑向電磁力密度分布圖從圖2.4中永磁同步電機(jī)的徑向電磁力對應(yīng)著電機(jī)永磁體出現(xiàn)四個波峰。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)偏心故障時，徑向電磁力變化較為明顯。但垂直于偏心方向上的兩側(cè)磁極所對應(yīng)的徑向電磁力變化不明顯。這是因為這兩側(cè)磁極的方向與偏心故障的方向垂直，所以受偏心故障影響較小，偏心故障程度變化時，該處的徑向電磁力基本上不發(fā)生變化。在偏心近氣隙側(cè)，徑向電磁力受偏心故障影響較大，電磁力明顯變大。而在偏心遠(yuǎn)氣隙側(cè)，隨著偏心程度的不斷增大，徑向電磁力則在不斷變小。這說明了偏心情況下，電磁力隨著氣隙磁密的變化也在發(fā)生相應(yīng)的變化，并且在偏心方向上產(chǎn)生了不平衡磁拉力，且隨著偏心程度不斷加劇，不平衡磁拉力也在不斷增大，造成定、轉(zhuǎn)子圓心不再重合，甚至造成定轉(zhuǎn)子相碰的可怕后果。2.3.3不平衡磁拉力和偏心程度的關(guān)系對偏心近氣隙處的定子齒和遠(yuǎn)氣隙處的定子齒，分別進(jìn)行仿真計算。得到計算結(jié)果如下圖2.5。圖2.5徑向電磁力密度局部放大圖從圖中能看出，近氣隙的徑向電磁力明顯高于遠(yuǎn)氣隙處的電磁力，這是因為近棲息處的氣隙寬度減小，相應(yīng)的氣隙磁密變大，氣隙磁密減小導(dǎo)致的。因此可以驗證電機(jī)的偏心故障導(dǎo)致偏心方向上的轉(zhuǎn)子的所受徑向電磁力不平衡，從而產(chǎn)生不平衡磁拉力，而電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心程度越大，轉(zhuǎn)子受到的不平衡磁拉力也會越大。通過分析發(fā)現(xiàn)，不平衡磁拉力和電機(jī)偏心程度成正比關(guān)系。偏心程度越大，電機(jī)轉(zhuǎn)子近氣隙和遠(yuǎn)氣隙所受到的徑向電磁力的差值也越大。后面對不同程度偏心故障的電機(jī)轉(zhuǎn)子所受不平衡磁拉力進(jìn)行計算。得到的結(jié)果繪制下圖2.6。圖2.6不平衡磁拉力解析結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對比由圖2.6可知，電機(jī)在正常時，轉(zhuǎn)子各個方向所受的徑向電磁力平衡，此時并沒有不平衡磁拉力產(chǎn)生，隨著電機(jī)偏心程度的增大，電機(jī)轉(zhuǎn)子所受到的不平衡磁拉力也在變大，且呈正比變化。偏心距離為0.4mm時的不平衡磁拉力約為0.2mm時的兩倍，電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的不平衡磁拉力與轉(zhuǎn)子的靜態(tài)偏心程度成線性關(guān)系。且數(shù)值計算和結(jié)果基本相符。

第三章偏心狀態(tài)時永磁同步電機(jī)的氣隙磁場分析3.1引言永磁同步電機(jī)在出現(xiàn)偏心時，偏心會引起電機(jī)氣隙發(fā)生改變，而氣隙磁場的變化會對電機(jī)的整體功能起到關(guān)鍵性的作用。這章先對氣隙磁導(dǎo)進(jìn)行理論分析，然后采用有限元分析法，對不同偏心程度的電機(jī)氣隙磁場的變化進(jìn)行分析，找出規(guī)律。3.2永磁同步電機(jī)氣隙磁場解析理論分析3.2.1氣隙磁導(dǎo)分析假設(shè)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子外表光滑，若電機(jī)極對數(shù)為p，氣隙長度為g，定子槽數(shù)為z1，槽口寬度為b1，槽深為h，齒距為t，兩槽距離為b，極距離為g(x)=gkt?式中：(k=0,1,2,...,zp),gm為轉(zhuǎn)子表面到定子槽底部的距離；br1氣隙比磁導(dǎo)：λg將λ1λ(3-3)式中：λλxt在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)中，永磁體上產(chǎn)生的諧波的表達(dá)式為?(3-4)在定子坐標(biāo)中，永磁體上產(chǎn)生的諧波的表達(dá)式為?(3-5)3.2.2氣隙磁場分析轉(zhuǎn)子永磁體v次諧波磁動勢，作用于氣隙平均磁導(dǎo)產(chǎn)生μ=γ次氣隙諧波磁場，該諧波磁場在定子上的變化頻率為?μ氣隙諧波磁場強(qiáng)度如下式所示。Hn=1sin(3-6)作為電機(jī)內(nèi)部磁場能量轉(zhuǎn)換的重要通道，氣隙對磁場的壓降可占閉合磁路磁壓降的65%以上，由此可以看出，氣隙磁場的變化將對電機(jī)的運(yùn)行和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。設(shè)正常電機(jī)沿圓周方向的氣隙寬度為g，則永磁同步電機(jī)徑向氣隙磁密BrB(3-7)B??dg——轉(zhuǎn)子氣隙寬度；當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心故障時，實際氣隙長度為g=(3-8)式中:g0K——轉(zhuǎn)子偏心率；α——位置角；電機(jī)發(fā)生靜態(tài)偏心故障時的徑向氣隙磁密為B(3-9)通過氣隙某點(diǎn)的磁鏈將為：Ψ(t)=式中：lsrgBrZ——定子槽數(shù)；3.3空載條件下正常永磁同步電機(jī)氣隙磁場的有限元分析3.3.1磁力線及磁密云圖若要分析轉(zhuǎn)子偏心對電機(jī)氣隙磁場的影響，首先要掌握正常狀態(tài)下電機(jī)的磁場特性。利用前面的模型，讓電機(jī)在空載條件下運(yùn)行，計算電機(jī)在空載正常時運(yùn)行的電磁性能。得到電機(jī)磁密云圖和磁力線分別如圖3.1和3.2所示。圖3.2空載情況下電機(jī)磁密云圖圖3.3空載情況下電機(jī)磁力線由圖3.1和圖3.2可知電機(jī)內(nèi)部磁場的分布情況，在磁密云圖中，看出在空載條件下，永磁同步電機(jī)各個磁極部分的磁力線和磁密分布情況相似，且磁力線主要集中在四個磁極附近，穿過氣隙后分布在定子和轉(zhuǎn)子鐵心中，并且都是閉合的。有少部分的磁感線穿過了定子槽形成了漏磁場。在定子齒和氣隙中，磁力線對應(yīng)著磁極呈對稱分布。這說明空載條件下電機(jī)各磁極部分磁場都為對稱分布，且漏磁較小。3.3.2氣隙磁密分析由式（3-7）可知，永磁同步電機(jī)氣隙磁密的大小和氣隙寬度成反比關(guān)系。越靠近永磁體磁極，氣隙磁密越高，兩相鄰磁極之間的空隙磁密將達(dá)到最小。電機(jī)的偏心故障會引起氣隙寬度的變化，然后會影響氣隙磁密度的大小。通過有限元仿真計算，就可以得到電機(jī)氣隙磁密在電機(jī)中的分布，如下圖3.4。圖3.4空載狀態(tài)下永磁同步電機(jī)氣隙磁密曲線圖

第四章永磁同步電機(jī)偏心故障檢測方案設(shè)計4.1引言前面幾章對電機(jī)的偏心故障下的氣隙磁場特性進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真分析。現(xiàn)在要結(jié)合偏心故障下氣隙磁場的變化特點(diǎn)，根據(jù)偏心故障檢測方案，并對方案內(nèi)容和偏心的故障的自動檢測技術(shù)做簡單的闡述，最后利用有限元分析法對檢測方案進(jìn)行仿真驗證。4.2.檢測方案的需求分析第三章對永磁同步電機(jī)氣隙磁導(dǎo)和氣隙磁場進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)電機(jī)氣隙磁導(dǎo)與氣隙寬度成反比的關(guān)系，當(dāng)電機(jī)發(fā)生靜態(tài)偏心的時候，電機(jī)的氣隙不再平衡，將出現(xiàn)靠近偏心側(cè)方向上的最小氣隙處和遠(yuǎn)離偏心方向上的最大氣隙處，氣隙磁密也將隨著氣隙發(fā)生改變，近偏心側(cè)的氣隙磁密中的基波分量變大，遠(yuǎn)偏心側(cè)的氣隙磁密的基波分量減小。且偏心發(fā)生時的氣隙磁場中將出現(xiàn)偶次諧波分量，因此根據(jù)偏心情況下氣隙磁場的這些變化特征可以提出一種利用檢測氣隙磁場診斷偏心故障的方法。4.3方案整體設(shè)計及結(jié)構(gòu)傳感電路模塊傳感電路模塊將采用多點(diǎn)磁場測量技術(shù)設(shè)計。多點(diǎn)測量是按一定規(guī)律放置傳感器，采集電機(jī)內(nèi)部各處的磁場信息，并通過對這些信息進(jìn)行比對分析，提取出故障特征，從而判斷故障位置與故障類型。數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊傳感電路和上位機(jī)之間通過采集電路連接，完成上下位機(jī)之間的指令和數(shù)據(jù)傳送，它的工作流程為：電機(jī)啟動同時接通傳感電路模塊電源，傳感電路上的霍爾傳感器將對電機(jī)內(nèi)部磁場信息進(jìn)行采集，將磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后傳感電路的電壓信號經(jīng)放大器放大后被采集電路模塊的A/D轉(zhuǎn)換器采集，至此，磁場信號轉(zhuǎn)化為了數(shù)字信號。上位機(jī)終端上位機(jī)中主要包括數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用軟件，其功能主要為：數(shù)據(jù)采集：接受數(shù)據(jù)采集模塊輸送的數(shù)字信號通過上位機(jī)利用采集命令數(shù)據(jù)顯示：其應(yīng)用界面能夠?qū)崟r顯示采集到的數(shù)字信號并不斷刷新。數(shù)據(jù)處理：需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，提取出數(shù)字串中的有效信息并擬合出曲線。數(shù)據(jù)存儲：能夠?qū)?shù)字信息的處理結(jié)果進(jìn)行保存，以便我們查詢。4.4仿真結(jié)果我們還可以通過maxwell和simulink的聯(lián)合仿真也可以電流和轉(zhuǎn)子的角速度對電機(jī)故障進(jìn)行分析。如圖4.1、4.2圖4.1故障電機(jī)的電流曲線圖4.2故障電機(jī)的角速度曲線

結(jié)論與展望第五章結(jié)論與展望5.1總結(jié)永磁同步電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用不言而喻，電機(jī)作為工業(yè)機(jī)械的核心，其運(yùn)行狀況對機(jī)械的工作效率和穩(wěn)定性產(chǎn)生直接的巨大影響。作為電機(jī)最為常見的故障之一，轉(zhuǎn)子偏心故障將會改變電機(jī)氣隙大小及磁場的分布，而氣隙作為電機(jī)磁場能量轉(zhuǎn)換的重要通道，氣隙磁場的變化對電機(jī)的整體性能起著決定性作用，轉(zhuǎn)子一旦偏心，氣隙見的徑向電磁力便不再平衡，將產(chǎn)生不平衡磁拉力。不平衡磁拉力輕則導(dǎo)致電機(jī)的噪聲和振動，重則使電機(jī)定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦甚至相碰。電機(jī)發(fā)生偏心故障將對工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大影響。因此，基于電機(jī)內(nèi)部磁場的分析和偏心檢測方案的研究，對保障工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。5.2展望本課題還仍進(jìn)一步改進(jìn)和完善：當(dāng)偏心故障和退磁故障同時發(fā)生時，該檢測方案無法區(qū)分。2）可以將參數(shù)識別法和基于模型的故障診斷方法相結(jié)合，也可以改造電機(jī)結(jié)構(gòu)增加一套繞組充當(dāng)探測線圈來診斷故障。

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