基于失电残余电压的永磁同步电动机失磁故障诊断研究

陈 诚, 梁伟铭, 钟 钦, 任纪良, 马宏忠



基于失电残余电压的永磁同步电动机失磁故障诊断研究

陈 诚1, 梁伟铭1, 钟 钦2, 任纪良1, 马宏忠2

（1. 上海汽车集团有限公司新能源汽车事业部上海201804; 2. 河海大学能源与电气学院，南京211100）

对利用失电残压诊断永磁同步电动机转子失磁故障进行研究。首先，对电机失电后定子绕组残余电压进行分析，讨论了定子失电残余电压的产生、性质；其次，分析了失磁故障对失电残余电压的影响，提出了利用失电残余电压诊断失磁故障的判别依据；最后，通过实验研究验证了该判据的正确性与有效性，表明基于失电残余电压诊断永磁同步电动机失磁故障方法的可行性。

永磁同步电动机；失磁故障；失电残余电压

0 前言

永磁同步电动机因其结构紧凑、体积小、重量轻、效率高、转矩高、功率密度高、工作可靠、噪声低等性能特点，具有电动汽车驱动的最优综合指标，非常适用于电动汽车驱动领域[1-3]。但电动汽车驱动电机运行环境恶劣，运行工况复杂，转子永磁体受到电、磁、热、机械等应力会产生退磁[4]，一旦永磁体发生不可逆退磁故障，会导致永磁电机性能指标下降、发热和转矩性能变差，严重情况下电机可能失控和报废[5-6]。同时，由于永磁电机转子上嵌入永磁体，永磁体发生失磁故障是永磁电机特有的故障类型。永磁同步电动机在电动汽车及风电场的广泛应用，使得失磁问题更加引人关注。

目前国内专门针对永磁同步电动机故障诊断的研究还相对较少，主要的研究也是在国外一些发达国家。永磁电机发生失磁故障，会在定子电流中产生特定的谐波分量，其频率为[7]：

形成了以定子电流信号为分析对象的不同的诊断方法，例如希尔伯特黄HHT方法[8]、连续小波变换CWT方法[9]、离散小波变换方法DWT[9]、快速傅立叶变换FFT方法[10]等，以监测和分析定子电流谐波分量诊断转子失磁故障。不容置疑，根据这种特征量进行失磁故障诊断有很多优点，如信号采集简单、方便等[11]，但是利用定子电流进行电机转子失磁故障诊断，不论是稳态分析还是暂态分析，仍有一定的局限性。

（1）转子其他类型故障及变频器供电的影响

转子的其他类型故障也会产生与(1)式相同的谐波，例如动态偏心，导致区分失磁故障与其他类型故障困难[12]。另外，以变频器作为驱动电源的永磁电机应用越来越多，而变频器的输出电压非正弦，含有大量的时间谐波，导致电流中包含大量的谐波成分[13-14]，这给利用电流谐波诊断失磁故障带来难题。

（2）大功率电机在轻微失磁故障时诊断仍有困难

当转子有轻微失磁故障时，定子电流中故障频率分量相对于基波频率分量的比值很小，若电机运行于轻载时其比值更小，这给信号处理带来困难，使得诊断灵敏度下降。

（3）负载波动影响

电动机所拖动的负载有时是不平稳的，负载的摆动使定子电流发生畸变，反映在频谱图上常表现为基波频率的各种调制成分，这些调制成分的谱峰大多分布于主频两侧。这样就导致在频谱图上难以直观地看出有无故障频率分量。

本文以电动汽车驱动电机为研究对象，对其失电后定子绕组的残余电压进行分析，并将其用于诊断永磁同步电动机转子失磁故障。该方法的突出优点在于：对电机进行故障诊断不受变频器供电的影响(变频器的输出电压含有大量的时间谐波)；它是从电机本身进行测试，不受负载的影响(如负载大小、负载性质、波动情况等)[15]。

1 永磁同步电动机失电残余电压的产生

2 失电残余电压的分析

当电机无故障时，气隙磁场接近正旋分布，奇次谐波分量相对很小，所以在定子绕组中感应的电压中引起的谐波分量相对于基波来说较小。

当电机转子发生故障时，如失磁故障、偏心故障等，气隙磁场发生畸变，定子绕组的感应电压中引起相应谐波分量。

3 失磁故障对失电残余电压的影响

在永磁同步电动机中，忽略齿槽影响，空载气隙磁密波形可以近似为矩形波，其谐波幅值为极弧系数的函数，表达式为：

图1 气隙磁密谐波幅值与极弧系数的关系

4 诊断失磁故障的判别依据

正常的永磁同步电动机失电后，在不计铁耗和附加损耗的情况下，转子机械运动方程为：

同理可得，当电机发生失磁故障后失电残压的基波为：

（7）式也可写为：

5 实测数据分析

本文对一台8极42kW的电动汽车驱动电机进行实测，先测定正常电机在不同转速下失电后的端电压，后对该电机的转子设置失磁故障(从对称位置的四个永磁体槽内各取出高度10%的永磁体)，具体见图2。图3为电机正常和失磁故障失电前后定子端电压及其局部放大波形，失电时刻电机转速分别为1744r/min、1687r/min。其幅值是经霍尔电压传感器变换后的毫伏值(1mV对应实际的0.08V)。该电机由变频器供电，图中失电前端电压含有大量的载波。电机失电后，逆变电路的开关器件断开，端电压不再含有载波。本实验负载小，且负载转矩是随电机转速的下降而减小的，因而端电压衰减慢，如图3所示。

图2 转子及失磁故障设置部位

（a） 正常情况

（b） 失磁故障情况

图3 电机失电前后定子端电压及其局部放大波形(实测)

对比图3中端电压的局部放大波形，故障电机的波形较正常电机发生了畸变，说明失磁故障引起了失电残压某些谐波分量的出现或变化。

表1 实验电机的失磁故障因子K

6 结论

本文在分析了电动汽车永磁同步电动机失电残压的产生、性质及失磁故障对其影响的基础上，提出了利用失电残压诊断永磁同步电动机失磁故障的判别依据，并通过实验研究验证了该判据的正确性与有效性。指出：

（1）利用失电残压能克服利用定子电流进行电机转子失磁故障诊断的局限性，如不受变频器供电和负载的影响。

（2）为进行准确的诊断，实际应用可预先按理论计算电机无故障时失电残压与转速的比值，然后结合实测得到的比值对其进行修正，做为失磁故障诊断的阀值。低于阀值表明已发生失磁故障，小于阀值越多表明整体失磁程度越严重。

（3）本文指出失磁故障虽能引起失电残压谐波分量的变化，但其变化受电机定子绕组的分布影响较大，是否能作为故障特征量有待进一步研究。

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Diagnosing Demagnetization Fault for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Residual Voltages after AC Dump

CHEN Cheng1, LIANG Weiming1, ZHONG Qin2, Ren Jiliang1, MA Hongzhong2

(1. New Energy Automotive Business Department of SAIC Motor, Shanghai 201804, China;2. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

This paper focus on diagnosing demagnetization fault for permanent magnet synchronous machine(PMSM) by residual voltage after AC dump. First, through analyzing the reason of residual voltage, its properties were discussed. Then, the effect of demagnetization fault on residual voltage was analyzed, and the discrimination of diagnosing demagnetization fault by residual voltage was presented. Finally, the experiment verifies the correction and creditability of the discrimination, and residual voltage can be used in demagnetization failure of PMSM.

permanent magnet synchronous motor; demagnetization failure; residual voltage after AC dump

TM351

A

1000-3983(2014)02-0022-04

上海汽车工业科技发展基金会基金（1106）

陈诚（1974-）, 2006年7月毕业于江苏大学汽车与交通工程学院，获研究生学位，从事电动汽车电安全技术方面的研究工作，工程师。

审稿人：许善椿