基于小波分析的电动汽车轮毂电机永磁体故障诊断

发布时间：2019-12-02 03:29

【摘要】：应用小波分析的方法,讨论了电动汽车用外转子无刷直流电机永磁体故障的诊断方法。主要讨论了两类故障的诊断:永磁体排列均匀性和永磁体弱磁检测。利用小波分解,以电机的霍尔传感器输出作为特征信号诊断永磁体的排列均匀性。提取相电流波形的特定频率分量,利用连续小波变换计算这些频率分量的能量比,以判断电机运行时是否发生弱磁故障。实验结果表明,利用该方法,可以获得永磁体排列不均匀性和弱磁故障的信息。
【图文】：

傅里叶变换,相电流,波形,弱磁

基波频率；Ｐ为转子极数；ｋ为整数。图４给出了一个有一对磁极发生弱磁的轮毂电机的相电流波形及其快速傅里叶变换（ＦＦＴ）。虽然通过傅里叶变换可以获得信号的频谱从而得到因永磁体弱磁而产生的故障频率，，但是由于在变换过程中丢失了位置（时间）信息，傅里叶变换无法处理动态情况。为解决上述问题，可通过对相电流波形进行小波变换以确定特征频率所在的尺度范围。最后，通过计算特征频率所占的信号能量比并与正常电机进行对比，来判断电机是否发生弱磁故障。（ａ）相电流波形（ｂ）相电流波形的傅里叶变换图４相电流波形及其傅里叶变换Ｒｕｉｚ等［５］指出，每个频率所占的信号能量比可通过下式计算：Ｅｉ＝∑Ｎｊ＝１Ｃ２ｉｊ∑Ｍｉ＝１∑Ｎｊ＝１Ｃ２ｉｊ（７）式中，Ｃｉｊ为指数为ｊ、尺度为ｉ的小波变换系数；Ｎ为采样数；Ｍ为尺度数。为简化计算，只需计及满足式（５）的频率所占的能量比。Ｒｉｅｒａ－Ｇｕａｓｐ等［６］指出，信号的小波分解细节部分Ｄｉ包含了满足下式的频率部分：ｆ（Ｄｉ）＝［ｆｓ２ｊ＋１，ｆｓ２ｊ］Ｈｚ（８）在小波分析中，通常采用二进策略，即ｓ＝２ｊ，其中，ｊ为整数。因此，只有满足ｆｓ２ｓ＜ｆｆｌｔ＜ｆｓｓ（９）的尺度需要计算。为进一步确定需要计算的尺度，可采用下式确定：ｓ＝ｉｎｔｅｇｅｒ（１２（ｆｓ２ｆｆｌｔ＋ｆｓｆｆｌｔ））（１０）其中，ｉｎｔｅｇｅｒ（）为取整函数。如果电机发生永磁体弱磁故障，则满足式（５）的频率所占的能量比将大大高于正常

间隙检测,永磁体,实验台,电机

的实验台如图５所示。利用ＭＡＴＬＡＢ的小波工具箱对霍尔信号进行小波分解以获得信号的间断点的准确位置。第一个实验中，利用霍尔小波对霍尔信号进行小波分解以检测间断点。第二个实验中，利用ｄｂ２４小波对相电流信号进行小波变换，获得各频率段的小波系数。图５实验台与实验电机２．１永磁体排列间隙检测实验图６给出了镶嵌在同一定子铁芯上的两个霍尔信号的第５层霍尔小波分解。测试电机的基本图６霍尔Ａ１和霍尔Ａ２经过５层分解的细节部分参数见表１。从图６可以明显看出，经过５层分解，可以精确地捕捉到霍尔信号的间断点。表２给出了间断点的位置（ｘ１和ｘ２）和测试电机的永磁体间隙距离。在工程应用中，当Δｇ≥τ＝０．０５ｂ＝０．６５ｍｍ（１１）式中，ｂ为永磁体的切向宽度。时，认为永磁体的间隙不合格。根据表１，当电机转速为ｎ＝４００ｒ／ｍｉｎ时，相邻采样间隔的实际距离δ＝１ｆｓπｒｎ３０＝０．４３ｍｍ（１２）且Δｇ｜ｋ＝９＝１．４６＞τ，故可得知第９和第１０片永磁体之间的间隙不合格。表１测试电机的基本参数参数值电机转速ｎ（ｒ／ｍｉｎ）４００采样频率ｆｓ（ｋＨｚ）１０永磁体轴向距离ｒ（ｍｍ）１０３．５永磁体切向宽度ｂ（ｍｍ）１３表２间断点和永磁体实际间隙（部分）ｋｘ１ｘ２Δｇ７１８９．２１８８．３０．３９８２１８．４２１７．７０．３０９２４７．０２５０．４１．４６１０２７６．１２７７．２０．４７１１３０５．７３０６．７０．４３１２３３４３３５．４０．６０２．２

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