基于信息融合的永磁直流電動機故障診斷

于勇

（哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

信息時代各領域的生產(chǎn)對機械設備使用的安全性具有較高要求，設備的安全生產(chǎn)是生產(chǎn)人員生命安全以及企業(yè)成本管控的重要保障，直接影響著企業(yè)的經(jīng)濟利益。永磁直流電動機是各行業(yè)生產(chǎn)的重要設備，其生產(chǎn)時的安全性對生產(chǎn)質量及效率的提升具有重要影響，需要相關管理人員注重永磁直流電動機故障的診斷與分析，科學分析與處理各種運行故障，有助于避免因設備故障而影響正常生產(chǎn)。

1 信息融合的永磁直流電動機概述

1.1 設備基本結構

在19世紀60年代，永磁直流電動機屬于一種新型的電動機，其與傳統(tǒng)的直流電動機存在較大不同，如在基本結構方面，傳統(tǒng)的永磁直流電動機，其電樞繞組設計在電動機的定子之上，而電動機的轉子上則設置的是永磁體，而新型的永磁直流電動機，主要是由驅動器以及電動機主體組合而成，既具有電力磁直流電動機的調(diào)速功能，又具備體積小、啟動速度快以及使用年限較長等優(yōu)勢，屬于機電一體化設備。永磁直流電動機的本體是由定子和轉子2部分組合而成，定子一般是指定子繞組，其通過三相對稱星形接法進行連接，電動機的永磁體一般設置在轉子之上。此外，在電動機內(nèi)部設有傳感器，其作用是對轉子的運行及極性進行時時檢測。

1.2 設備工作原理

永磁直流電動機的正常運行，需要電機驅動系統(tǒng)的支持。通過情況下，永磁直流電動機的工作原理可被分為2種，分別是180°導通狀態(tài)和120°導通狀態(tài)，二者實際的工作原理大相徑庭，本文以120°導通狀態(tài)為例，對其工作原理進行了具體介紹。在120°導通狀態(tài)下，永磁體南北極的交換可使得電動機內(nèi)部的傳感器產(chǎn)生位差數(shù)不同的方波，如W、U、V等，如圖1所示，如若電動機的轉子轉動至圖1所示位置，則在圖2中的T1與T62個開關管會被開通，致使A、B 2點之間的繞組通聯(lián)，產(chǎn)生的電流會組合成電驅磁動勢Fa，隨后Fa會與Fa（轉子磁動勢）導通，產(chǎn)生電磁轉矩拖動轉子，而此時Fa與Fa之間的夾角為120°。

圖1 A、B通電

圖2 A、C相通電

1.3 設備繞組分布

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，永磁直流電動機的使用會受其繞組性能的影響，并且，電動機的繞組性能會對電動機的正常運行造成巨大影響，此次論文研究的電驅槽數(shù)為12，轉子之上的永磁體磁極數(shù)為10，相數(shù)為3，電驅繞組之間的連接方式是星形連接，規(guī)范化的相鄰兩個電機磁槽的夾角為360°、360°與30°，而電氣夾角為150°，同樣的，纏繞于電驅齒之上的電驅線繞圈電氣夾角度數(shù)也為150°。如若夾角度數(shù)從零算起，當?shù)谝粋€槽發(fā)生位移時，其產(chǎn)生的電氣夾角度數(shù)為150°，如若第一個槽位移時產(chǎn)生的電氣夾角為300°，則其產(chǎn)生的夾角度數(shù)與第三個槽度數(shù)相同，以此繼續(xù)推算，具體的磁勢星形圖如圖3所示。

圖3 磁勢星形圖

2 信息融合的永磁直流電動機故障分析

2.1 振動故障分析

永磁直流電動機其內(nèi)部結構較為復雜，電動機在運行過程中其振動的產(chǎn)生會有多種原因，具體的振動故障分析如下：（1）電動機機座振動，該振動故障主要包括機座的倍頻振動以及轉子振動；（2）電動機定子振動，該振動產(chǎn)生的方式與定子鐵心的振動和繞組振動有關，而定子鐵心的振動是由電磁力產(chǎn)造成的，當交變磁場通過定子疊片鐵心時，定子軸向便會產(chǎn)生振動。此外，在電動機運行過程中，定子繞組會受系統(tǒng)頻率震動的影響產(chǎn)生磁拉力，進而引起定子繞組的振動；（3）電動機軸承振動，電動機其內(nèi)部使用的軸承型號不同，在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生振動；（4）電動機轉子彎曲振動，此種振動故障產(chǎn)生的主要原因為轉子質量不均勻以及電磁不平衡等。

2.2 噪聲故障分析

聲波的變化會有其規(guī)范化的波形圖，且聲波的聲壓頻率、振幅和波長都具有一定的規(guī)律性，可通過函數(shù)對其進行描述，如純音聲波，其函數(shù)描述表達式為：

在函數(shù)中，P代表幅值；f代表頻率；ω代表角頻率，其具體取值為2πf，θ代表初始相位，如若聲音的大小為2000Hz，則其頻率則為2000Hz，如若聲音中的波形存在不同的聲音頻率或者是不同強度的純音，使得波形不規(guī)律，則可能會產(chǎn)生噪音。常見的噪音分類有電磁噪音，主要是由電動機的定子與轉子在旋轉波與脈動波的牽引下產(chǎn)生的；空氣動力噪音，其是由電動機內(nèi)部冷卻風產(chǎn)生的；機械噪音是由電動機軸承老化或破損產(chǎn)生的，噪音一般來源于電動機的振動。

3 信息融合的永磁直流電動機故障診斷

3.1 繞組匝間短路故障原因

匝間短路故障是永磁直流電動機常見故障之一，因電動機在前期安裝以及后期投入使用的過程中，需要經(jīng)過繞線、排線以及搬運等操作，使得其線圈導線容易出現(xiàn)破損問題，導致線圈導線的絕緣層遭受破壞，容易出現(xiàn)匝間短路的現(xiàn)象。此外，當電動機的繞組遭受腐蝕或者是線圈松動時，也會容易出現(xiàn)匝間短路故障。常見匝間短路故障產(chǎn)生的原因多為線圈絕緣表面布滿灰塵、油漬等，使得絕緣防護失去功能，進而造成電動機匝間短路故障，如若匝間短路故障未能被及時發(fā)現(xiàn)，則電動機在長期運行的過程中會出現(xiàn)磁場畸變現(xiàn)象，電動機的溫度迅速上升，最終容易出現(xiàn)電動機燒毀事故，既不利于機械設備的維修，又增加了生產(chǎn)企業(yè)的投資成本。

3.2 繞組匝間短路故障分析

（1）驅動電路模型。驅動電路模型的創(chuàng)建需要依靠于Ansoft軟件電路的設置，在使用Ansoft軟件創(chuàng)建驅動電路模型的過程中，需要工作人員通過使用二極管以及可控開關，對直流電動機的控制回路進行仿真模擬，以此設計出可控的硅器件。在此過程中，工作人員需要將可控開關與二極管進行串聯(lián)，以此確保可控硅能夠正常通電通壓，驅動電路模型創(chuàng)建的過程中，一共需要6個二極管，其作用皆為續(xù)流回路，依據(jù)實際的建模與控制需求，如果永磁直流電動機的型號為三相無刷型，則其驅動電路模型建造過程中需要12個二極管與6個可控開關對線路進行管控，由此形成的直流電壓源可確保驅動電路模型創(chuàng)造時電流產(chǎn)生的穩(wěn)定性，進而有助于為電動機仿真系統(tǒng)的正常運行提供保障。

（2）有限元模型。有限元模型的建立也需要依靠于Ansoft軟件，該模型構建的原理是至上而下創(chuàng)建，具體的建模步驟包括：設置運動參量、創(chuàng)建電動機物理模型、設置邊界條件及加載激勵源、設置模型材料屬性、設定求解參數(shù)及網(wǎng)格細化等，最后則為求解及處理與保存結果。例如，此次論文分析的樣機結果如下：如若定子的外徑為122，則其定子槽的個數(shù)為12；若定子內(nèi)徑為78，則其級及對數(shù)為4；當轉子外徑為77時，其額定轉速為1000r/min，當轉子內(nèi)徑為20時，其額定電壓為46V，定子及轉子內(nèi)、外徑數(shù)值不同，其后期相關數(shù)據(jù)也會存在一定差異。

（3）故障仿真分析。永磁直流電動機故障仿真的分析，需要依靠于數(shù)學模型的創(chuàng)建，電動機的運行特點為非線性，相關數(shù)據(jù)參數(shù)會隨著電動機運行的時常發(fā)生改變，如若故障仿真分析人員按照固定的參數(shù)進行故障診斷，則會增加診斷誤差。信息的融合需要永磁直流電動機注重信息技術的應用，Ansoft軟件可對非線性進行仿真計算，借助磁場分析結果，可有效解決電動機非線性的問題。

3.3 繞組匝間短路故障案例

（1）實驗概述。在此次論文的實驗案例中，永磁直流電動機匝間短路故障系統(tǒng)的設計主要是由控制器數(shù)據(jù)采集卡、連接導線、永磁直流電動機、直流電池以及PC機等組合而成，其中永磁直流電動機的型號為BM1412-01，額定電流為26A，電壓為48VDC，功率為1000W，轉速為650r/min，繞組接法為Y。該系統(tǒng)工作的具體流程：在電動機數(shù)據(jù)初始化的狀態(tài)下，系統(tǒng)需要對轉速、噪音、振動、電樞電流進行采集與存儲，隨后依據(jù)波形的顯示規(guī)律，確定電動機的故障類型，制定相應的處理方案。

（2）實驗結果。實驗通過對電動機定子繞組中電樞電流、噪聲信號以及振動信號等數(shù)據(jù)的規(guī)范化采集，得出以下噪聲平均值、峰值以及最小值與最大值等，當電動機運行正常時，其噪音信號具體如表1所示，當永磁直流電動機出現(xiàn)匝間短路情況時，其噪音的信號分別如表2所示。

表格1 電動機正常運行下的噪音信號

由表1與表2的數(shù)據(jù)可知，當電動機出現(xiàn)匝間短路故障時，其噪聲的各數(shù)值均有所增加，說明當永磁直流電動機出現(xiàn)匝間故障時會產(chǎn)生噪音污染。

表格2 電動機匝間故障下的噪音信號

3.4 永磁直流電動機故障診斷系統(tǒng)設計

（1）硬件設計。電磁直流電動機故障診斷系統(tǒng)的硬件設計主要包括噪聲信號的采集與電流振動信號的采集，噪音信號的采集需要通過噪音測試系統(tǒng)來完成。該系統(tǒng)可通過對噪聲的檢測來判斷電動機是否存在故障，檢測人員可以利用信息軟件對電動機的聲卡，運行時產(chǎn)生的聲音進行采集，采集過程中需要傳感器、麥克風、AD轉換器等機械設備的支持。通過聲音的采集，不僅可以判斷電動機有無噪音故障，又可對噪音故障產(chǎn)生的原因進行分析，有助于為維修人員故障的診斷與維修提供參考。電流振動信號的采集主要依賴于采集卡，其屬于信息技術的產(chǎn)物，精準度較高，合理的精度范圍應在2°～4°之間。

（2）軟件設計。電磁直流電動機故障診斷系統(tǒng)的軟件設計主要包括LabVIEW以及數(shù)據(jù)采集模塊，LabVIEW屬于一種編輯語言，主要應用的設備是數(shù)據(jù)采集和儀器控制，可為用戶提供界面、數(shù)據(jù)分析等服務，在信息時代，其已被廣泛應用于測試和測量行業(yè)。該軟件具有多種功能，如圖形化編程功能，其編程較為靈活，編程設備的圖標設置與使用人員的習慣大致相同，極大地提升了編程效率，節(jié)省了編程時間。數(shù)據(jù)采集模塊主要是對電動機運行時各項數(shù)據(jù)的采集，在信息化技術的支持下，數(shù)據(jù)采集模塊可將模擬量轉換成數(shù)字量，其中，AD轉換器是數(shù)據(jù)采集模塊設計的重點，有助于為其信號采集、傳輸以及存儲的安全性提供保障，需要故障診斷系統(tǒng)軟件設計人員引起重視。

4 結語

永磁直流電動機的使用，需要注重信息技術的融合，其在使用過程中存在各種故障，需要設備管理人員依據(jù)不同的故障制定有針對性的故障診斷與維修方案，以此減少電動機故障發(fā)生的概率，進而有助于為設備使用的安全性提供保障。在永磁直流電動機運行過程中，常見的故障為繞組匝間短路故障，該故障的產(chǎn)生原因較為復雜，需要工作人員進行詳細分析，并通過硬件以及軟件2方面的設計，對永磁直流電動機故障診斷系統(tǒng)進行優(yōu)化與升級。