于勇

（哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

信息時(shí)代各領(lǐng)域的生產(chǎn)對(duì)機(jī)械設(shè)備使用的安全性具有較高要求，設(shè)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(jì)利益。永磁直流電動(dòng)機(jī)是各行業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，其生產(chǎn)時(shí)的安全性對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量及效率的提升具有重要影響，需要相關(guān)管理人員注重永磁直流電動(dòng)機(jī)故障的診斷與分析，科學(xué)分析與處理各種運(yùn)行故障，有助于避免因設(shè)備故障而影響正常生產(chǎn)。

1 信息融合的永磁直流電動(dòng)機(jī)概述

1.1 設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

在19世紀(jì)60年代，永磁直流電動(dòng)機(jī)屬于一種新型的電動(dòng)機(jī)，其與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)存在較大不同，如在基本結(jié)構(gòu)方面，傳統(tǒng)的永磁直流電動(dòng)機(jī)，其電樞繞組設(shè)計(jì)在電動(dòng)機(jī)的定子之上，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上則設(shè)置的是永磁體，而新型的永磁直流電動(dòng)機(jī)，主要是由驅(qū)動(dòng)器以及電動(dòng)機(jī)主體組合而成，既具有電力磁直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速功能，又具備體積小、啟動(dòng)速度快以及使用年限較長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，屬于機(jī)電一體化設(shè)備。永磁直流電動(dòng)機(jī)的本體是由定子和轉(zhuǎn)子2部分組合而成，定子一般是指定子繞組，其通過(guò)三相對(duì)稱(chēng)星形接法進(jìn)行連接，電動(dòng)機(jī)的永磁體一般設(shè)置在轉(zhuǎn)子之上。此外，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部設(shè)有傳感器，其作用是對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行及極性進(jìn)行時(shí)時(shí)檢測(cè)。

1.2 設(shè)備工作原理

永磁直流電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的支持。通過(guò)情況下，永磁直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可被分為2種，分別是180°導(dǎo)通狀態(tài)和120°導(dǎo)通狀態(tài)，二者實(shí)際的工作原理大相徑庭，本文以120°導(dǎo)通狀態(tài)為例，對(duì)其工作原理進(jìn)行了具體介紹。在120°導(dǎo)通狀態(tài)下，永磁體南北極的交換可使得電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)至圖1所示位置，則在圖2中的T1與T62個(gè)開(kāi)關(guān)管會(huì)被開(kāi)通，致使A、B 2點(diǎn)之間的繞組通聯(lián)，產(chǎn)生的電流會(huì)組合成電驅(qū)磁動(dòng)勢(shì)Fa，隨后Fa會(huì)與Fa（轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)）導(dǎo)通，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子，而此時(shí)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(shè)備繞組分布

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，永磁直流電動(dòng)機(jī)的使用會(huì)受其繞組性能的影響，并且，電動(dòng)機(jī)的繞組性能會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行造成巨大影響，此次論文研究的電驅(qū)槽數(shù)為12，轉(zhuǎn)子之上的永磁體磁極數(shù)為10，相數(shù)為3，電驅(qū)繞組之間的連接方式是星形連接，規(guī)范化的相鄰兩個(gè)電機(jī)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(qū)齒之上的電驅(qū)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(dāng)?shù)谝粋€(gè)槽發(fā)生位移時(shí)，其產(chǎn)生的電氣夾角度數(shù)為150°，如若第一個(gè)槽位移時(shí)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(gè)槽度數(shù)相同，以此繼續(xù)推算，具體的磁勢(shì)星形圖如圖3所示。

圖3 磁勢(shì)星形圖

2 信息融合的永磁直流電動(dòng)機(jī)故障分析

2.1 振動(dòng)故障分析

永磁直流電動(dòng)機(jī)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中其振動(dòng)的產(chǎn)生會(huì)有多種原因，具體的振動(dòng)故障分析如下：（1）電動(dòng)機(jī)機(jī)座振動(dòng)，該振動(dòng)故障主要包括機(jī)座的倍頻振動(dòng)以及轉(zhuǎn)子振動(dòng)；（2）電動(dòng)機(jī)定子振動(dòng)，該振動(dòng)產(chǎn)生的方式與定子鐵心的振動(dòng)和繞組振動(dòng)有關(guān)，而定子鐵心的振動(dòng)是由電磁力產(chǎn)造成的，當(dāng)交變磁場(chǎng)通過(guò)定子疊片鐵心時(shí)，定子軸向便會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。此外，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，定子繞組會(huì)受系統(tǒng)頻率震動(dòng)的影響產(chǎn)生磁拉力，進(jìn)而引起定子繞組的振動(dòng)；（3）電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)，電動(dòng)機(jī)其內(nèi)部使用的軸承型號(hào)不同，在生產(chǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生振動(dòng)；（4）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲振動(dòng)，此種振動(dòng)故障產(chǎn)生的主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)子質(zhì)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(huì)有其規(guī)范化的波形圖，且聲波的聲壓頻率、振幅和波長(zhǎng)都具有一定的規(guī)律性，可通過(guò)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行描述，如純音聲波，其函數(shù)描述表達(dá)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(qiáng)度的純音，使得波形不規(guī)律，則可能會(huì)產(chǎn)生噪音。常見(jiàn)的噪音分類(lèi)有電磁噪音，主要是由電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)波與脈動(dòng)波的牽引下產(chǎn)生的；空氣動(dòng)力噪音，其是由電動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻風(fēng)產(chǎn)生的；機(jī)械噪音是由電動(dòng)機(jī)軸承老化或破損產(chǎn)生的，噪音一般來(lái)源于電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。

3 信息融合的永磁直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障之一，因電動(dòng)機(jī)在前期安裝以及后期投入使用的過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)繞線、排線以及搬運(yùn)等操作，使得其線圈導(dǎo)線容易出現(xiàn)破損問(wèn)題，導(dǎo)致線圈導(dǎo)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(dāng)電動(dòng)機(jī)的繞組遭受腐蝕或者是線圈松動(dòng)時(shí)，也會(huì)容易出現(xiàn)匝間短路故障。常見(jiàn)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(hù)失去功能，進(jìn)而造成電動(dòng)機(jī)匝間短路故障，如若匝間短路故障未能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則電動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)畸變現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)的溫度迅速上升，最終容易出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)燒毀事故，既不利于機(jī)械設(shè)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(qū)動(dòng)電路模型。驅(qū)動(dòng)電路模型的創(chuàng)建需要依靠于Ansoft軟件電路的設(shè)置，在使用Ansoft軟件創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)電路模型的過(guò)程中，需要工作人員通過(guò)使用二極管以及可控開(kāi)關(guān)，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制回路進(jìn)行仿真模擬，以此設(shè)計(jì)出可控的硅器件。在此過(guò)程中，工作人員需要將可控開(kāi)關(guān)與二極管進(jìn)行串聯(lián)，以此確保可控硅能夠正常通電通壓，驅(qū)動(dòng)電路模型創(chuàng)建的過(guò)程中，一共需要6個(gè)二極管，其作用皆為續(xù)流回路，依據(jù)實(shí)際的建模與控制需求，如果永磁直流電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為三相無(wú)刷型，則其驅(qū)動(dòng)電路模型建造過(guò)程中需要12個(gè)二極管與6個(gè)可控開(kāi)關(guān)對(duì)線路進(jìn)行管控，由此形成的直流電壓源可確保驅(qū)動(dòng)電路模型創(chuàng)造時(shí)電流產(chǎn)生的穩(wěn)定性，進(jìn)而有助于為電動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)的正常運(yùn)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(gòu)建的原理是至上而下創(chuàng)建，具體的建模步驟包括：設(shè)置運(yùn)動(dòng)參量、創(chuàng)建電動(dòng)機(jī)物理模型、設(shè)置邊界條件及加載激勵(lì)源、設(shè)置模型材料屬性、設(shè)定求解參數(shù)及網(wǎng)格細(xì)化等，最后則為求解及處理與保存結(jié)果。例如，此次論文分析的樣機(jī)結(jié)果如下：如若定子的外徑為122，則其定子槽的個(gè)數(shù)為12；若定子內(nèi)徑為78，則其級(jí)及對(duì)數(shù)為4；當(dāng)轉(zhuǎn)子外徑為77時(shí)，其額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為20時(shí)，其額定電壓為46V，定子及轉(zhuǎn)子內(nèi)、外徑數(shù)值不同，其后期相關(guān)數(shù)據(jù)也會(huì)存在一定差異。

（3）故障仿真分析。永磁直流電動(dòng)機(jī)故障仿真的分析，需要依靠于數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)為非線性，相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)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(jìn)行故障診斷，則會(huì)增加診斷誤差。信息的融合需要永磁直流電動(dòng)機(jī)注重信息技術(shù)的應(yīng)用，Ansoft軟件可對(duì)非線性進(jìn)行仿真計(jì)算，借助磁場(chǎng)分析結(jié)果，可有效解決電動(dòng)機(jī)非線性的問(wèn)題。

3.3 繞組匝間短路故障案例

（1）實(shí)驗(yàn)概述。在此次論文的實(shí)驗(yàn)案例中，永磁直流電動(dòng)機(jī)匝間短路故障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是由控制器數(shù)據(jù)采集卡、連接導(dǎo)線、永磁直流電動(dòng)機(jī)、直流電池以及PC機(jī)等組合而成，其中永磁直流電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為BM1412-01，額定電流為26A，電壓為48VDC，功率為1000W，轉(zhuǎn)速為650r/min，繞組接法為Y。該系統(tǒng)工作的具體流程：在電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)初始化的狀態(tài)下，系統(tǒng)需要對(duì)轉(zhuǎn)速、噪音、振動(dòng)、電樞電流進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，隨后依據(jù)波形的顯示規(guī)律，確定電動(dòng)機(jī)的故障類(lèi)型，制定相應(yīng)的處理方案。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)定子繞組中電樞電流、噪聲信號(hào)以及振動(dòng)信號(hào)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(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常時(shí)，其噪音信號(hào)具體如表1所示，當(dāng)永磁直流電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)匝間短路情況時(shí)，其噪音的信號(hào)分別如表2所示。

表格1 電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行下的噪音信號(hào)

由表1與表2的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)匝間短路故障時(shí)，其噪聲的各數(shù)值均有所增加，說(shuō)明當(dāng)永磁直流電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)匝間故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音污染。

表格2 電動(dòng)機(jī)匝間故障下的噪音信號(hào)

3.4 永磁直流電動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）硬件設(shè)計(jì)。電磁直流電動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括噪聲信號(hào)的采集與電流振動(dòng)信號(hào)的采集，噪音信號(hào)的采集需要通過(guò)噪音測(cè)試系統(tǒng)來(lái)完成。該系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)噪聲的檢測(cè)來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)是否存在故障，檢測(cè)人員可以利用信息軟件對(duì)電動(dòng)機(jī)的聲卡，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的聲音進(jìn)行采集，采集過(guò)程中需要傳感器、麥克風(fēng)、AD轉(zhuǎn)換器等機(jī)械設(shè)備的支持。通過(guò)聲音的采集，不僅可以判斷電動(dòng)機(jī)有無(wú)噪音故障，又可對(duì)噪音故障產(chǎn)生的原因進(jìn)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(dòng)信號(hào)的采集主要依賴于采集卡，其屬于信息技術(shù)的產(chǎn)物，精準(zhǔn)度較高，合理的精度范圍應(yīng)在2°～4°之間。

（2）軟件設(shè)計(jì)。電磁直流電動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括LabVIEW以及數(shù)據(jù)采集模塊，LabVIEW屬于一種編輯語(yǔ)言，主要應(yīng)用的設(shè)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(wù)，在信息時(shí)代，其已被廣泛應(yīng)用于測(cè)試和測(cè)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(shè)備的圖標(biāo)設(shè)置與使用人員的習(xí)慣大致相同，極大地提升了編程效率，節(jié)省了編程時(shí)間。數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集，在信息化技術(shù)的支持下，數(shù)據(jù)采集模塊可將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，其中，AD轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，有助于為其信號(hào)采集、傳輸以及存儲(chǔ)的安全性提供保障，需要故障診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)人員引起重視。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁直流電動(dòng)機(jī)的使用，需要注重信息技術(shù)的融合，其在使用過(guò)程中存在各種故障，需要設(shè)備管理人員依據(jù)不同的故障制定有針對(duì)性的故障診斷與維修方案，以此減少電動(dòng)機(jī)故障發(fā)生的概率，進(jìn)而有助于為設(shè)備使用的安全性提供保障。在永磁直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，常見(jiàn)的故障為繞組匝間短路故障，該故障的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，需要工作人員進(jìn)行詳細(xì)分析，并通過(guò)硬件以及軟件2方面的設(shè)計(jì)，對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與升級(jí)。