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基于霍尔效应场传感器的永磁同步电机转子偏心在线检测
Yonghyun Park*, Daniel Fernandez**, Sang Bin Lee*, Doosoo Hyun *, Myung Jeong*, Suneel Kumar Kommuri*, Changhee Cho***, David Reigosa**, and Fernando Briz**
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*Department of Electrical Engineering, |
**Department of Electrical Engineering, |
***Department of Precision Mechanical |
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Korea University, Seoul, Korea |
University of Oviedo, Spain |
Engineering, Gyeonggi College of |
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Email: sangbinlee@korea.ac.kr |
Science amp; Technology, Siheung, Korea |
摘要——永磁同步电机(PMS)的转子偏心增加了不平衡的磁拉和电机振动，导致电机部件加速老化。如果偏心率仍未被检测到，则会增加严重程度，并增加定子转子接触的风险，从而导致电机和驱动过程的强制停运。偏心检测目前依赖于离线测试和在线振动/电流谱分析，这些测试不方便或无法提供可靠的检测，因为它们受到电机或负载中其他机械非理想性的影响。本文研究了利用模拟霍尔效应场传感器信号进行偏心检测的可行性。结果表明，运动控制机器中已经存在的霍尔传感器可用于测量电机内部由于偏心引起的磁通变化。三维(3D)有限元分析(FEA)和在内部PMSM(IPMSM)上进行的实验结果表明，该方法可以在最小的硬件修改下提供灵敏可靠的动态和混合偏心检测。
指标项——轴向漏磁，状态监测，有限元分析，霍尔效应场传感器，永磁同步电机，转子偏心。
- 导言
永磁同步电机(PMSMS)因其效率高、功率密度大、易于控制等优点，在许多应用领域取代了感应电动机。 随着永磁同步电机需求的不断增长，对永磁同步电机驱动系统故障的分析和检测进行了大量的研究工作，如转子偏心、永磁消磁、轴承、负载对准/不平衡相关故障[1]-[11]。 转子偏心有三种类型:静态、动态和混合偏心(SE、DE和ME)。SE是最小径向气隙位置固定的条件。它可能是由制造或装配过程中引入的缺陷引起的，并且它的级别很少随时间变化。DE是最小气隙位置随转子旋转的一种情况，是由转子的缺陷、磨损的轴承、弯曲的轴等引起的。SE和DE通常以ME的形式共存，其固有气隙水平保持在10 %以内。偏心率(SE, DE或ME)会引起不平衡的磁力拉力，从而导致振动、噪音、轴承磨损和/或转子损坏。必须检测DE和ME，因为它们会随着时间的推移而增加严重程度，增加定子-转子接触的风险从而对PM、铁芯和定子绕组绝缘造成严重损害[11]-[13]。
许多研究人员开发了检测转子偏心的技术，以提高永磁同步电机驱动系统的性能和可靠性[3]-[11]。传统的检测偏心率的离线测试包括百分表和塞尺测试[11]-[13]。 精密千分表可用于测量转子的圆度以检测DE，因为转子是相对于其自身中心手动旋转的。触角量规也可以用来测量不同位置的转子的气隙分布，以测量SE、DE或ME。 虽然这些测试可以提供对偏心率的精确评估，但它们不能经常使用，因为它们需要完全或部分拆卸电机、手动转子旋转和/或专门的测试设备或装置。 在[11]中，提出了一种基于使用注入信号的逆变器的离线偏心测试；然而，它要求电机处于停止状态进行测试。
基于数学模型的磁通估计已被研究用于检测[3]-[4]中的永磁同步电机转子故障；然而，它们对非理想建模误差和电机参数的变化很敏感。在[5]-[6]中，转子转速频率的在线监测，fr，基频(fs)的侧频带，fecc，由
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fr = k·fs /p, |
(1) |
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fecc = fs plusmn; fr =(1plusmn;k /p) fs , |
(2) |
从振动、轴电压或磁通谱等方面进行了研究，其中p是极对的数目，k是一个正整数。然而,主要的限制是电机的物理访问的要求，以实现走动式监视或传感器的永久安装。 如果使用便携式设备进行监测，维护人员将面临安全风险，特别是在电机处于恶劣环境下运行的情况下。将传感器和电缆安装到电机上进行永久安装也会增加系统成本，降低系统可靠性。因此，最近的研究大多集中在应用电机电流特征分析(MCSA)，对定子电流谱中的fecc分量进行监测。MCSA可以使用现有的传感器从逆变器提供远程、在线监控，独立于电机数学模型[3]-[4]、[7]-[10]。虽然MCSA有很多优点，但是故障的可检测性取决于绕组结构[1]，并且对于在输入频率或负载变化[9]-[10]的非平稳条件下运行的电机，需要复杂的时频分析技术。此外，永磁同步电机驱动系统中的非理想性，如失调、负载不平衡或其他机械不对称，会产生与fecc相同的侧带组件，并且没有实际的方法来分离它们[3]-[4]
978-1-5090-2998-3/17/31.00美元2017IEEE 4678
从前面的讨论中得出结论，现有的永磁同步电动机偏心距检测方法在实际应用中存在很多局限性。因此，开发新的测试方法，能够提供远程、在线检测偏心故障，不依赖于电机设计或模型，也不需要额外的传感器，是非常必要的。这项工作的主要思想是利用霍尔传感器需要在电机运动控制。本文对采用模拟霍尔传感器检测转子偏心的可行性进行了研究。三维有限元分析和IPMSMs的实验研究表明，该方法能够以最小的硬件修改提供对DE和ME故障的敏感和可靠的检测。
- 偏心率条件下霍尔传感器测量结果分析
由于转子的绝对位置是永磁同步电机控制所必需的，因此许多永磁同步电机系统采用增量编码器和三个数字霍尔效应传感器来获得启动电机的初始位置。这些传感器测量的信号通常是数字化的，如图1所示，以简化硬件和抗噪声。还有一些商用的永磁同步电动机驱动器，用于测量霍尔传感器的模拟信号并使用[14]-[18]。用模拟霍尔传感器测量电机内部的PM泄漏通量(图1)，其中包含可用于控制或监视目的的信息。利用模拟霍尔传感器信号改善控制性能和PM温度估计是最近研究的[19]-[24]。由于模拟霍尔传感器可以测量电机内部的磁通，因此可以通过监测磁通图中的异常现象来检测转子的偏心。如果PMSM系统装有模拟霍尔传感器，则不需要安装额外的传感器或硬件。对于霍尔传感器测量数字化的情况，需要对系统进行修改，如IV所示。
在图2所示的7.5 kW、6极IPMSM模型上进行三维有限元分析，观察磁链测量值随转子偏心的变化。在切向x，径向y，轴向z，方向上用于PM通量的坐标系统显示。霍尔传感器固定在定子上，相对于PM表面几何中心径向(y) 4mm，轴向(z) 5mm。在[24]中研究了PM通量测量在x、y、z三个方向随PM温度的变化。结果表明，无论测量方向如何，测量值都随磁通强度的变化而变化。在这项工作中使用了轴向(z)方向的磁通，因为它对永磁磁场相对敏感，而对定子绕组端部电流产生的磁场不敏感。需要注意的是，在偏心检测时，x、y方向的磁通具有相似的检测性能。SE、DE和ME条件由转子中心相对于定子中心(SE)和旋转中心相对于转子中心(DE、ME)偏移产生。电机在1000转/分钟的转速下运行，并在同心和偏心工况下均有额定负载。
对于偏心永磁同步电动机，转子(和PM)的径向位置随转子位置的变化而变化，这取决于偏心的类型和严重程度。这改变了霍尔传感器与永磁电机之间的相对距离，因为霍尔传感器固定在定子上，而偏心转子则相对于其自身的旋转中心旋转。为了定性分析霍尔传感器测量结果随偏心距的变化，利用三维有限元分析方法获得了轴向(z)通量随转子(或PM)径向(y)位置的变化。被测模拟信号类似于图1和图6所示的正弦波信号，其中正/负峰值是在PM通过传感器时测量的。转子在-0.5和 0.5 mm之间以0.1 mm的离散步骤移动，这对应于0.8 mm气隙的IPMSM的-62.5 ~ 62.5%的离心率。z向磁通模拟测量的峰值振幅几乎随转子径向位移线性减小，如图3所示。对于这种特殊的IPMSM，当转子在给定的传感器位置上沿y方向移动1毫米时，霍尔传感器测量值下降40%。
从图3和传感器与PM在SE、DE和ME条件下的相对位置可以预测霍尔传感器通量测量的期望模式。如果转子是同心的，当转子旋转时，霍尔传感器和所有PMs之间的距离是一致的。当转子旋转时，霍尔传感器与PM之间的相对径向位置轨迹如图4所示。由于传感器与PMs之间的距离是恒定的，对于同心转子，磁通测量的N极(正)和S极(负)峰值是恒定的，如图6(a)所示的FE分析结果。
图 1 霍尔效应场传感器模拟测量与数字化获取转子位置示意图
- (b)
图 2 三维FE模型为7.5 kW, 6极IPMSM， (a)切向x、径向y、轴向z坐标系方向和(b)霍尔传感器位置
4679
图 3 轴向(z)方向峰值磁通测量作为转子径向(y)位置的函数(对应-62.5%和 62.5%转子偏心)
在SE条件下，转子的中心与定子的中心偏移，转子相对于自身的中心旋转。因此，传感器与PMs之间的相对距离是恒定的，但与图4所示的同心情况不同。图5为SE、DE、ME三种情况下传感器与PM的相对位置轨迹。轨迹表示当转子旋转时，PMs与传感器之间的相对位置如何变化。轨迹的大小(直径)随中心位置的变化与同心圆情况相同，如图5(a)所示。轨迹的变化取决于转子SE相对于霍尔传感器的方向。在SE的两个极端情况下，与同心情况相比，传感器的转子在相同和相反的方向(图2中的y轴方向)上偏移的轨迹如图5(a)所示。由于传感器与PM之间的径向距离的减小(转子向上运动)导致了测量通量的减小，从图3和图5(a)可以看出，如果SE与霍尔传感器的方向一致(图5(a)中直径减小的轨迹)，则N和S极峰的振幅会均匀减小。如果SE与霍尔传感器方向相反，则N、S极峰均匀增大(图5(a)中轨迹随直径增大)。模拟霍尔传感器在三维FE中以30%和60%的SE沿霍尔传感器方向测量，其波形如图6(a)所示
图 4 同心圆转子霍尔传感器的位置、霍尔传感器与PMs之间相对径向位置的轨迹
在在DE条件下，转子的中心与定子的中心偏移，转子相对于定子的中心旋转。传感器和PM之间的相对位置的轨迹取决于DE的方向，就像SE的情况一样。由于转子是相对于定子中心旋转的，所以轨迹中心的偏移与同心壳体的直径相同。图5(b)所示为与霍尔传感器方向相同和相反的北极DE条件下的轨迹，以及同心情况下的轨迹。从图3和图5(b)可以看出，当传感器距离PMs较远时，相邻峰的一半(p)增加，当传感器距离PMs较近时，相邻峰的另一半(p)减少。这可以从图6(b)所示的传感器反方向的N极，分别为30%和60% DE的三维有限元分析结果中看出。前3个S-N-S极峰振幅增大，后3个N-S-N极峰振幅减小，与预期一致。
(a) (b) (c)
图 5 带(a) SE、(b) DE和(c) ME的电机霍尔传感器与PMs之间的相对径向位置轨迹
4680
ME条件下的通量模式更为复杂，它是SE和DE的组合，传感器- PM距离轨迹的大小和中心都随ME的变化而变化。SE和DE有无数的组合可以产生ME。以图5(c)为例，30%的SE在传感器方向，30%的DE在传感器相反方向，沿同心情况下的轨迹。如果SE和DE的程度相同，从图3和图5(c)可以预测，图5(c)顶部的N极通量峰值与同心情况相同，其余的峰值振幅减小，因为霍尔传感器距离PM更近。图6(c)所示的ME条件下通量测量的三维有限元结果表明，与预测的同心情况相比，通量中只有一个N极峰是相同的，其他5个峰减小。与30% SE相比，前3个S-N-S极峰增大，后3个N-S-N极峰减小。三维有限元分析结果表明，在SE条件下，N和S极磁通的峰值是均匀的，而DE和ME条件下，由于DE分量的存在，磁通的峰值是不均匀的。
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