一种基于气隙磁场直接测试检测永磁电机静态偏心的方法与流程

本发明涉及电机故障的检测方法，更具体的说是一种基于气隙磁场直接测试检测永磁电机静态偏心的方法。

背景技术：

永磁电机取消了励磁系统，因此结构简单、运行可靠。减少了励磁绕组损耗，提高了效率。从国民经济、工业生产，到汽车、航天、国防等，逐渐在各个行业中得到广泛应用。但同时，永磁电机在运行过程中不可避免的会出现偏心问题。这种问题可能来自于：1）由于生产加工工艺不合格，导致电机定转子轴线不重合；2）由于复杂的负载工况、恶劣的使用环境，加上持续工作等造成电机的磨损，从而导致电机定转子之间发生偏心。静态偏心是指电机转子旋转中心与定子旋转中心偏离，进而使得气隙磁场发生畸变。经工程经验和科学研究总结，静态偏心会增大电机的振动噪声，降低电机电磁性能，严重时可能造成电机定转子直接接触，造成严重的生产事故。因此，在电机生产设计阶段和日常使用过程中，准确检测电机是否存在静态偏心以及确定静态偏心的程度，能够降低故障风险，提高经济效益，具有极高的工程价值。综合调研现有文献，发现现有的电机偏心检测技术，大概分为如下两类：

一类方法可以确定偏心方向：

1）基于气隙磁场间接测试来判断偏心故障。在定子槽或定子内表面安装探查线圈或编码器，通过分析线圈或编码器的电压变化来检测偏心方向和程度。但是有如下缺点：线圈感应磁场的幅值小，灵敏度低；需要对电机进行较大改装；高速时线圈容易与转子发生摩擦；偏心方向的确定依赖于探查线圈数目，无法实现精确定位，只能确定大概偏心方向。

2）基于三相异步电机的零序反电动势，通过静态偏心的故障指示向量判断静态偏心的方向。此方法不适用于永磁电机。

一类方法不能确定偏心方向：

1）基于定子电流及其边频特征来判断偏心故障。此类方法极易受负载工况和电机控制方式的影响，且定子电流的偏心特征频谱可能来自于其他故障影响因素。此外，由于偏心频谱特征往往较小，所以无法预测低程度的偏心故障；

2）基于电机振动响应计算静态偏心量。此类方法测试过程复杂，测试成本较高，易受外界干扰。

综合现有文献，可以发现现有技术多针对交流感应电动机，涉及永磁电机的静态偏心检测方法则鲜有介绍。此外，现有技术大部分都不能确定静态偏心方向，而能够确定偏心方向的方法受限于探查线圈数目，不能实现高精度定位。因此，利用现有的技术很难实现成本低、精度高、操作简便且适用于永磁电机静态偏心方向和程度的检测。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述现有技术存在的测试精度不足、测试误差较大、改装工艺复杂、测试过程复杂、无法准确定位偏心方向等缺点，提供一种方法简单，使用方便，可准确地测量永磁电机静态偏心故障的检测方法。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种基于气隙磁场直接测试检测永磁电机静态偏心的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：测试无偏心下以及不同静态偏心率下标准电机的气隙径向磁密，得到静态偏心率和特征阶次幅值之间的线性关系中的系数a，其中y为静态偏心率，x为特征阶次的幅值；

步骤2：测试待测电机周向空间分布的气隙径向磁密；

步骤3.根据步骤1和步骤2所得气隙径向磁密的测试数据，画出标准电机无偏心下的径向磁密空间分布图:br-标准和待测电机的径向磁密空间分布图:br-测试，然后用br-测试中的曲线数据减去br-标准的曲线数据，得到磁密差值数据，根据磁密差值数据画出磁密差值图；

步骤4.结合标准电机无偏心下的径向磁密空间分布图、待测电机的径向磁密空间分布图和磁密差值图，确定偏心方向；

步骤5.对br-测试进行空间阶次特性分析，找到静态偏心特征空间阶次的幅值，代入线性关系式，即可得到静态偏心率y。

所述的步骤1中，具体包含以下步骤：

11)：设置被测电机的测试工况点,如图3。取电机气隙（径向）的中心处的圆，（建立坐标系，）将其均分成n份，以角度为间隔，其中p为电机的极对数，（以x轴方向的测点为测试起始工况点，）每份电机气隙（中心）处为一个测试工况点；

12)：在回转工作台上安装固定被测电机，控制探头支架使特斯拉计进入永磁电机气隙内的测试起始工况点处，测试该处径向磁密并记录；

13)：控制回转工作台，旋转被测电机至其周向上的下一测试工况点处，测试该处径向磁密并记录；重复测试，直至每一个测试工况点（周向空间分布）的径向磁密全部测量完毕。

14）等间隔设定标准电机的偏心量，间隔不小于10%的静态偏心率，总数不少于8组；可以通过在气隙一侧塞不同厚度的黄铜塞尺以获得不同的静态偏心率，e为静态偏心距，δ为气隙原长度；

15）重复步骤11）、12）和13），测试各静态偏心率下标准电机的径向磁密空间分布；

16）对各静态偏心率下标准电机的径向磁密进行空间阶次分析，获取特征阶次的幅值；

17）以静态偏心率为因变量，各偏心率下的特征阶次幅值为自变量，求取二者之间的线性关系式中的a。

待测电机周向空间分布的气隙径向磁密的测试方法与步骤1中的被测电机测周向空间分布的气隙径向磁密的试方法相同。

所述的步骤4中，具体包含以下步骤：

41）找到磁密差值图两个对称的零点位置，如图6所示，并计算其两个中点（优弧一侧和劣弧一侧）的角度值，即可得到偏心后气隙最大位置（偏心负方向）和气隙最小位置（偏心方向）。

42）由待测电机相对无偏心标准电机的幅值变化可确定偏心方向的角度区间，如图5，则位于偏心方向角度区间内零点位置的中心角度为偏心方向。

所述的步骤4，其技术依据在于，如图4所示：

静态偏心发生时，转子旋转中心or发生偏移，与定子中心os不重合。气隙长度在整圆周范围内产生变化，在圆周范围内必有在偏心方向两侧对称分布的两点，气隙长度仍为原长度，如图4中a、b两点，则对应位置的径向磁密也不会发生变化。而两点的中心位置处，即为最大气隙位置（劣弧一侧）或最小气隙位置（优弧一侧），结合测试的径向磁密的周向空间分布图，如图5，即可确定偏心方向。

本发明所依据的技术特征是：静态偏心时，如图4所示，气隙长度在整圆周范围内发生改变，且气隙最小位置处固定。气隙的磁导率接近于真空磁导率，其值远小于定子导磁材料的磁导率，气隙宽度越大，则磁阻越大，相应的磁密幅值也越小，凭借此特征，即可定位静态偏心方向；而随着静态偏心程度的增大，气隙宽度变化越大，特征频率的幅值也会越高。经计算，特征频率幅值于静态偏心率之间呈现线性关系，凭借此特征，即可确定静态偏心程度。

本发明基于永磁电机的气隙磁场直接测试。气隙磁场是永磁电机实现机电能量转换的基础，而静态偏心会明显影响永磁电机的磁密波形，使波形在偏心方向出现幅值变化。变化值的位置直接对应于偏心方向，变化值与偏心程度呈线性关系。因此可以快速、高精度地检测电机是否存在静态偏心以及确定静态偏心方向和程度。

使用本发明的轮毂电机静态偏心故障检测方法，可准确判断永磁电机是否存在静态偏心以及准确判定静态偏心方向和程度。本发明具有操作简便，检测精度高，可以准确检测偏心方向等优点。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1．本发明可以普遍应用于各类永磁电机中，实现永磁电机的静态偏心检测。

2．本发明可以同时实现高精度的静态偏心方向检测和偏心程度检测。

3．本发明依据的评判指标经过了解析公式与有限元仿真工具的科学论证，且受其他非偏心故障因素影响较小，因此具有很高的精度。

附图说明

图1是检测流程图。

图2是气隙磁场直接测试装置结构示意图。

图3是气隙磁场直接测试测点设置示意图。

图4是电机静态偏心示意图。

图5是两种静态偏心方向（135°和270°）气隙径向磁场的空间分布图。

图6是两种静态偏心方向（135°和270°）待测电机与标准电机径向磁密的差值图。

图7是实施例中静态偏心率与特征阶次幅值之间的线性关系。

图8是实施例中待测电机与标准电机径向磁场空间分布图。

图9是实施例待测电机与标准电机径向磁密的差值图。

图10是实施例中待测电机空间阶次图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

针对某24极27槽电动汽车用外转子轮毂永磁同步电机，按本发明方法进行静态偏心全流程检测。

如图1所示，为气隙磁场直接测试装置结构示意图，设有测试平台1、垂直调节支架5以及调节螺旋3；水平调节支架4以及水平调节螺旋6；特斯拉探头8，探针7以及数据采集主机11；回转工作台10和分度盘2；被测电机9。

对于待测电机，按图4流程所示，有如下执行过程：

1）测试无偏心下以及不同静态偏心率下标准电机的气隙径向磁场，得到静态偏心率和特征阶次幅值之间的线性关系式，如图7。

2）测试待测电机周向空间分布的气隙径向磁场。

3）根据步骤1和步骤2所得径向磁场的测试数据，画出径向磁场空间分布图：br-测试和br-标准，如图8；然后用br-测试中的曲线数据减去br-标准的曲线数据，得到磁密差值数据，画出磁密差值图，如图9。

4）结合磁密空间分布图与磁密差值图，确定偏心方向：

41）由图9中零点位置，确定中心角度为224.83°和44.83°。

42）由图8，判断气隙径向磁密最大值处，也即偏心方向角度区间在180°-270°之间。综合图8图9，位于偏心方向角度区间内的零点位置的中心角度为偏心方向，即可判断偏心方向为224.83°。

5）对br-测试进行空间阶次特性分析，找到静态偏心特征空间阶次的幅值，如图10，获取特征阶次幅值为0.09519t；代入线性关系式，即可得到静态偏心程度：代入2）中获得的关系式中，如图7，可得静态偏心程度为90%。

与现有技术对比，本发明可以快速、简便、准确地检测永磁电机是否存在静态偏心及确定准确的偏心方向和偏心程度。