振动分析技术在永磁同步电机故障诊断中的应用与研究

李红

摘 要：基于阶次分析对永磁同步电机故障诊断技术开展研究，利用振动传感器采集永磁同步电机运转时的振动信号及转速信号，对数据进行阶次分析和时域同步平均技术相结合的方法进行处理，通过检测永磁同步电机在不同转速下得到的同步通道和混合通道的阶次谱，诊断出电机是否出现故障及故障原因和位置。利用软件的自学习功能生成被试件的RMS曲线限制、阶次谱限值曲线和关键位置的阶次切片谱限值取值，以此作为产品质量合格评价的参考标准。

关键词：永磁同步电机 阶次分析 故障诊断

1 引言

永磁同步电机便于实现轻量小型化，已成为当前车用驱动电机的首选电机类型，有着良好的应用前景。电动汽车用永磁同步电机极力追求高功率密度轻量小型化和宽广域的调速运行范围，使得电机的结构及其电学、磁学、力学和热学性能趋于极限，电机磁场谐波丰富、谐波幅值高，容易引起较大的电磁振动噪声甚至共振。随着电动汽车规模商业化与动力系统电动化技术的发展，对车用驱动电机的转矩品质、振动噪声与舒适性等性能提出了新的需求和挑战，推动了永磁同步电机振动噪声分析评估与抑制技术的深入研究。

电机制造业中，电机的异响问题也是比较常见的质量问题。因电机产生异响的原理十分复杂，同时缺乏相应的仪器和规范标准来具体检测和分析异响出现的原因，这一直困扰着电机制造商。以永磁同步交流电机为例，因异响问题造成电机返工率可达5%甚至更多，造成工期延误和资源浪费问题已成为电机生产过程中的难题。

2 永磁同步电机的基本组成

永磁同步电机主要是由定子和转子两部分组成部分，根据永磁体放置位置不同，将转子磁极结构分为表面式和内置式两种，表面式转子结构是永磁体固定在转子铁心的表面，结构简单，易于制造。内置式转子结构的永磁体位于转子铁心内部，不直接面对空气隙，转子铁心对永磁体有一定的保护作用，转子磁路的不对称产生磁阻转矩，相对于表面式结构可以产生更强的气隙磁场，有助于提高电机的过载能力和功率密度。

本文以8极48槽的表面式永磁同步电机作为研究对象，进行了振动分析研究。永磁同步电机的结构模型如图1所示，其结构参数如表1所示。

3 永磁同步电机的振动噪声源

3.1 电磁振动与噪声

电磁振动与噪声主要是有电机内部的电磁力波引起的，与电机电磁力波阶数、幅值、频率以及电机本身的振动特性密切相关，相对机械和空气动力学噪声而言，分析和抑制难度较大，电磁力波的幅值和频率随转速改变而发生变化，使电机低速和高速时都可能存在较大的电磁振动噪声[1]。

3.2 转子不平衡引起的振动和噪声

转子不平衡就是转子中心位置和其质量中心位置不同，转子在进行旋转运动时，不平衡量导致的离心力作用产生不平衡力，从而引起转子振动的激振力[2]。在出现很大的不平衡量或者电机运行到高手时，使电机不能正常工作，甚至导致损坏或者飞逸等，后果很严重。一般不平衡量分为三种，分别是静不平衡、偶不平衡以及动不平衡。

受电机制造公差和长时间的运行磨损的影响，转子外圆和内圆之间大部分情况会出现偏心。偏心一般分为两种：一种是定子和转子的中心偏移，但转子旋转的偏心位置不变，称为静偏心;另一种是将转子偏装在转轴上，转子旋转时偏心位置改变，称为动偏心。

3.3 轴承的振动和噪声

滚动轴承和滑动轴承是现在电机主要采用的两种轴承。其中在微型电机和大型电机一般采用滑动轴承，中小型电机一般采用滚动轴承，因为这种轴承的可靠性高，维修简单，但研究资料发现滚动轴承的噪声较滑动轴承大，这也是电机振动噪声的声源之一[3]。

旋转的滚动体承受径向载荷从而引起轴承的振动噪声，这是轴承产生振动噪声的机理。基本上轴承旋转频率与滚动体数量乘积的整数倍是轴承的振动频率。

4 电机振动信号的处理及分析

4.1 阶次分析基本原理

阶次分析对于分析转速随时间变得的振動噪声很适用，是一种适用于旋转或往复机械的振动噪声分析技术。大部分设备都是由轴、轴承和齿轮等零部件组成，其中很多设备都对其运行过程提出振动噪声要求。阶次分析是通过旋转部件每旋转一个角度采集一次数据的等角度域采样理论进行采样的，这样可以有效避免时域采样时部分特征点的丢失，阶次分析中转速是第一阶，所以第n阶即转速的n倍，n次分量是转速的振动谐波[4]。阶次分析将振动噪声和转速密切联系起来，把信号还原到各特征分量，同时把特征分量和机械部件密切联系起来。

阶次分析通过采集等时间间隔的时域信号进行重采样，并转换成等角度间隔的稳定信号，这种稳定信号是转速变化可以满足相同的每周期的采样点数，然后对信号进行FFT分析，得到信号阶次谱图，此时谱图的横坐标为阶次（order），有别于原来横坐标是频率（Hz），可以直接在在阶次谱图上分析故障特征[5]。如图2所示。

重采样是将等时间的时域数据进行重采样变成等角度间隔的角度域数据，然后经过FFT变换进行数据处理[6]，如下图所示。

4.2 阶次分析在电机故障诊断中的应用

通过采集振动数据对永磁同步电机进行故障诊断和检测，主要是通过振动传感器采集振动数据，再将数据进行频谱分析，得到电机关键阶次的数据，最后与故障库中的故障阶次数据进行对比分析，将具有类似故障库中数据的电机判定为不合格，从而提高产品的质量。振动传感器安装点需具有结构阻尼小、刚性好的特点[7]，所以振动传感器的布置位置很重要，根据实际实验分析效果，为保证每次振动加速度传感器与电机对接位置的一致性，可以在试验台架上设计个支座，并将振动传感器放置在支座上，这样既保证了电机多次拆装数据的一致性，又提高了数据的可靠性。

永磁同步电机作为旋转部件，选择部件的振动总会通过结构传递到达电机表面，如电机机壳等位置。如轴承存在轻微磨损，从而导致异常振动，这些振动就会传递到机壳上，增大电机的振动噪声。因此，将传感器安装在永磁同步电机里前轴承对应的机壳正下方检测的振动信号效果最好。

永磁同步电机的NVH下线检查系统是通过CAN線提取电机的转速数据，然后通过振动传感器采集振动数据，然后对测得的数据进行数据重采样和FFT变换，得到关键阶次的频谱。测试系统通过对一定数量的测试数据的收集和分析，自动生成一条限值曲线作为判定标准，与实测数据进行对比分析来判断是否存在异常。

本实验装置研究对象是二合一的电机加控制器，电机运行到最高转速，对其利用阶次分析进行故障诊断。

永磁同步电机的空载测试工况如表2所示。

在电机检测平台上采集空载工况的信息，分别是加速、恒速和降速工况，包括速度信号和振动信号，将振动信号分别进行混合通道和同步通道进行阶次分析，得到阶次谱图，利用软件的自学习功能生成被试件的RMS曲线限制、阶次谱限值曲线和关键位置的阶次切片谱限值取值，以此作为产品质量合格评价的参考标准。电机出厂有故障时，阶次谱图上的某些阶次对应的幅值会超出阈值。

图4是电机是时域测试信号，图5和图6是将电机的振动时域数据经过阶次分析得到的阶次谱图，因为电机是8阶48槽电机的振动阶次应在8阶、16阶、24阶、32阶、48阶、96阶等阶次出现峰值，根据图5到图6，阶次谱图上出现峰值均未超出阈值，且在上述各阶次处出现峰值，因此，电机在空载状态下无异常特征。

5 结论

本文主要研究了基于阶次分析在电机故障诊断中的应用，以及搭建了电机故障检测系统，模拟电机在实际工作中的运动状态，能准确诊断电机的故障位置，满足实际生产需求，具有较高的精度和检测效率，提高电机出厂的合格率。本文分析永磁同步电机的内部结构和故障机理，为电机故障诊断奠定了基础。对阶次分析方法应用到永磁同步电机不同工况下进行故障诊断，实现了电机故障准确诊断。

参考文献：

[1]S.J.杨.低噪声电动机[M]. 科学出版社，1985：5-22.

[2]Jacek. F. G Wang. C，Joseph. C. S. Noise of polyphaser electric motors [M]. CRC Press，2006.

[3]Fyfe K R，etal Analysis of computed order teacking[J].Mechanical Systems and Signal Processming 1997，11（2）：187-205.

[4]陈新轩，许安.工程机械状态监测与故障诊断[M].北京：人民交通出版社，2004.1-10页.

[5]张梅军.机械状态监测与故障诊断[M].北京：国防工业出版社，2007.2-6页.

[6]朱成伟. 振动分析技术在变速箱故障诊断中的应用于研究：[硕士学位论文].长春：长春工业大学，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.