振動分析技術在永磁同步電機故障診斷中的應用與研究

李紅

摘 要：基于階次分析對永磁同步電機故障診斷技術開展研究，利用振動傳感器采集永磁同步電機運轉時的振動信號及轉速信號，對數據進行階次分析和時域同步平均技術相結合的方法進行處理，通過檢測永磁同步電機在不同轉速下得到的同步通道和混合通道的階次譜，診斷出電機是否出現故障及故障原因和位置。利用軟件的自學習功能生成被試件的RMS曲線限制、階次譜限值曲線和關鍵位置的階次切片譜限值取值，以此作為產品質量合格評價的參考標準。

關鍵詞：永磁同步電機 階次分析 故障診斷

1 引言

永磁同步電機便于實現輕量小型化，已成為當前車用驅動電機的首選電機類型，有著良好的應用前景。電動汽車用永磁同步電機極力追求高功率密度輕量小型化和寬廣域的調速運行范圍，使得電機的結構及其電學、磁學、力學和熱學性能趨于極限，電機磁場諧波豐富、諧波幅值高，容易引起較大的電磁振動噪聲甚至共振。隨著電動汽車規模商業化與動力系統電動化技術的發展，對車用驅動電機的轉矩品質、振動噪聲與舒適性等性能提出了新的需求和挑戰，推動了永磁同步電機振動噪聲分析評估與抑制技術的深入研究。

電機制造業中，電機的異響問題也是比較常見的質量問題。因電機產生異響的原理十分復雜，同時缺乏相應的儀器和規范標準來具體檢測和分析異響出現的原因，這一直困擾著電機制造商。以永磁同步交流電機為例，因異響問題造成電機返工率可達5%甚至更多，造成工期延誤和資源浪費問題已成為電機生產過程中的難題。

2 永磁同步電機的基本組成

永磁同步電機主要是由定子和轉子兩部分組成部分，根據永磁體放置位置不同，將轉子磁極結構分為表面式和內置式兩種，表面式轉子結構是永磁體固定在轉子鐵心的表面，結構簡單，易于制造。內置式轉子結構的永磁體位于轉子鐵心內部，不直接面對空氣隙，轉子鐵心對永磁體有一定的保護作用，轉子磁路的不對稱產生磁阻轉矩，相對于表面式結構可以產生更強的氣隙磁場，有助于提高電機的過載能力和功率密度。

本文以8極48槽的表面式永磁同步電機作為研究對象，進行了振動分析研究。永磁同步電機的結構模型如圖1所示，其結構參數如表1所示。

3 永磁同步電機的振動噪聲源

3.1 電磁振動與噪聲

電磁振動與噪聲主要是有電機內部的電磁力波引起的，與電機電磁力波階數、幅值、頻率以及電機本身的振動特性密切相關，相對機械和空氣動力學噪聲而言，分析和抑制難度較大，電磁力波的幅值和頻率隨轉速改變而發生變化，使電機低速和高速時都可能存在較大的電磁振動噪聲[1]。

3.2 轉子不平衡引起的振動和噪聲

轉子不平衡就是轉子中心位置和其質量中心位置不同，轉子在進行旋轉運動時，不平衡量導致的離心力作用產生不平衡力，從而引起轉子振動的激振力[2]。在出現很大的不平衡量或者電機運行到高手時，使電機不能正常工作，甚至導致損壞或者飛逸等，后果很嚴重。一般不平衡量分為三種，分別是靜不平衡、偶不平衡以及動不平衡。

受電機制造公差和長時間的運行磨損的影響，轉子外圓和內圓之間大部分情況會出現偏心。偏心一般分為兩種：一種是定子和轉子的中心偏移，但轉子旋轉的偏心位置不變，稱為靜偏心;另一種是將轉子偏裝在轉軸上，轉子旋轉時偏心位置改變，稱為動偏心。

3.3 軸承的振動和噪聲

滾動軸承和滑動軸承是現在電機主要采用的兩種軸承。其中在微型電機和大型電機一般采用滑動軸承，中小型電機一般采用滾動軸承，因為這種軸承的可靠性高，維修簡單，但研究資料發現滾動軸承的噪聲較滑動軸承大，這也是電機振動噪聲的聲源之一[3]。

旋轉的滾動體承受徑向載荷從而引起軸承的振動噪聲，這是軸承產生振動噪聲的機理。基本上軸承旋轉頻率與滾動體數量乘積的整數倍是軸承的振動頻率。

4 電機振動信號的處理及分析

4.1 階次分析基本原理

階次分析對于分析轉速隨時間變得的振動噪聲很適用，是一種適用于旋轉或往復機械的振動噪聲分析技術。大部分設備都是由軸、軸承和齒輪等零部件組成，其中很多設備都對其運行過程提出振動噪聲要求。階次分析是通過旋轉部件每旋轉一個角度采集一次數據的等角度域采樣理論進行采樣的，這樣可以有效避免時域采樣時部分特征點的丟失，階次分析中轉速是第一階，所以第n階即轉速的n倍，n次分量是轉速的振動諧波[4]。階次分析將振動噪聲和轉速密切聯系起來，把信號還原到各特征分量，同時把特征分量和機械部件密切聯系起來。

階次分析通過采集等時間間隔的時域信號進行重采樣，并轉換成等角度間隔的穩定信號，這種穩定信號是轉速變化可以滿足相同的每周期的采樣點數，然后對信號進行FFT分析，得到信號階次譜圖，此時譜圖的橫坐標為階次（order），有別于原來橫坐標是頻率（Hz），可以直接在在階次譜圖上分析故障特征[5]。如圖2所示。

重采樣是將等時間的時域數據進行重采樣變成等角度間隔的角度域數據，然后經過FFT變換進行數據處理[6]，如下圖所示。

4.2 階次分析在電機故障診斷中的應用

通過采集振動數據對永磁同步電機進行故障診斷和檢測，主要是通過振動傳感器采集振動數據，再將數據進行頻譜分析，得到電機關鍵階次的數據，最后與故障庫中的故障階次數據進行對比分析，將具有類似故障庫中數據的電機判定為不合格，從而提高產品的質量。振動傳感器安裝點需具有結構阻尼小、剛性好的特點[7]，所以振動傳感器的布置位置很重要，根據實際實驗分析效果，為保證每次振動加速度傳感器與電機對接位置的一致性，可以在試驗臺架上設計個支座，并將振動傳感器放置在支座上，這樣既保證了電機多次拆裝數據的一致性，又提高了數據的可靠性。

永磁同步電機作為旋轉部件，選擇部件的振動總會通過結構傳遞到達電機表面，如電機機殼等位置。如軸承存在輕微磨損，從而導致異常振動，這些振動就會傳遞到機殼上，增大電機的振動噪聲。因此，將傳感器安裝在永磁同步電機里前軸承對應的機殼正下方檢測的振動信號效果最好。

永磁同步電機的NVH下線檢查系統是通過CAN線提取電機的轉速數據，然后通過振動傳感器采集振動數據，然后對測得的數據進行數據重采樣和FFT變換，得到關鍵階次的頻譜。測試系統通過對一定數量的測試數據的收集和分析，自動生成一條限值曲線作為判定標準，與實測數據進行對比分析來判斷是否存在異常。

本實驗裝置研究對象是二合一的電機加控制器，電機運行到最高轉速，對其利用階次分析進行故障診斷。

永磁同步電機的空載測試工況如表2所示。

在電機檢測平臺上采集空載工況的信息，分別是加速、恒速和降速工況，包括速度信號和振動信號，將振動信號分別進行混合通道和同步通道進行階次分析，得到階次譜圖，利用軟件的自學習功能生成被試件的RMS曲線限制、階次譜限值曲線和關鍵位置的階次切片譜限值取值，以此作為產品質量合格評價的參考標準。電機出廠有故障時，階次譜圖上的某些階次對應的幅值會超出閾值。

圖4是電機是時域測試信號，圖5和圖6是將電機的振動時域數據經過階次分析得到的階次譜圖，因為電機是8階48槽電機的振動階次應在8階、16階、24階、32階、48階、96階等階次出現峰值，根據圖5到圖6，階次譜圖上出現峰值均未超出閾值，且在上述各階次處出現峰值，因此，電機在空載狀態下無異常特征。

5 結論

本文主要研究了基于階次分析在電機故障診斷中的應用，以及搭建了電機故障檢測系統，模擬電機在實際工作中的運動狀態，能準確診斷電機的故障位置，滿足實際生產需求，具有較高的精度和檢測效率，提高電機出廠的合格率。本文分析永磁同步電機的內部結構和故障機理，為電機故障診斷奠定了基礎。對階次分析方法應用到永磁同步電機不同工況下進行故障診斷，實現了電機故障準確診斷。

參考文獻：

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[5]張梅軍.機械狀態監測與故障診斷[M].北京：國防工業出版社，2007.2-6頁.

[6]朱成偉. 振動分析技術在變速箱故障診斷中的應用于研究：[碩士學位論文].長春：長春工業大學，2015.

[7]Berger，Volker，Wilbertz，etc. Structure-borne noise in an end-of-line test of dual clutch transmissions.? Auto Technology， October 12，2010：22-25.