開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)及方法，包括：電流輸入模塊、定子機(jī)座模塊和轉(zhuǎn)子主軸模塊，其中：電流輸入模塊接收電機(jī)的實時電流信號并傳送到定子機(jī)座模塊，定子機(jī)座模塊和轉(zhuǎn)子主軸模塊聯(lián)合生成仿真電磁場并輸出磁鏈，轉(zhuǎn)子主軸模塊根據(jù)磁鏈輸出仿真扭矩信號、仿真角加速度信號和仿真角速度信號，定子機(jī)座模塊輸出仿真振動信號，本發(fā)明利用監(jiān)測系統(tǒng)仿真運行并與開關(guān)磁阻電機(jī)的實時數(shù)據(jù)對比來監(jiān)測電機(jī)的運行狀態(tài)，基于參數(shù)可調(diào)的監(jiān)測系統(tǒng)模型，仿真開關(guān)磁阻電機(jī)的故障狀態(tài)運行，獲取故障數(shù)據(jù)庫，故障數(shù)據(jù)庫可以為電機(jī)故障的預(yù)測和檢測提供對比數(shù)據(jù)來源，故障數(shù)據(jù)庫的搭建也實現(xiàn)了對電機(jī)故障機(jī)理的驗證。
【專利說明】
開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及的是一種電機(jī)測試領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)及 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)磁阻電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩大，測速范圍寬，控制靈活。開關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)具 有效率高，可控參數(shù)多，啟動電流小等特點，不僅能夠滿足超高速運行的要求，而且堅固耐 用，適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。因此，開關(guān)磁阻電機(jī)也被廣泛應(yīng)用在油田抽油機(jī)械中。但是，由于 油田環(huán)境相對復(fù)雜且地域廣闊，對開關(guān)磁阻電機(jī)的監(jiān)測非常困難。
[0003] 目前，現(xiàn)有的通用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠采集電機(jī)的相電流、轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，并上傳 至上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)分析來達(dá)到監(jiān)測和診斷的功能。但是，運些監(jiān)測系統(tǒng)非常依賴采集數(shù)據(jù) 的時效性，由于電機(jī)的參數(shù)本身的靈敏度不足和滯后性，其無法對故障進(jìn)行有效的預(yù)警，監(jiān) 測系統(tǒng)的作用受到極大的限制。
[0004] 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號CN105162370A，【公開日】為2015年12 月16日，公開了一種混合動力電動車用開關(guān)磁阻電機(jī)控制器及其控制方法，其中的控制器 通過CAN總線接收整車控制器發(fā)送的控制指令、同時將處理后的母線電壓、電流、轉(zhuǎn)速和電 機(jī)狀態(tài)等信號發(fā)送給整車控制器，電機(jī)控制器將接收到的指令和傳感器信號進(jìn)行綜合處理 后，實現(xiàn)對開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制，可靠性較高；同時通過信號檢測和處理， 實現(xiàn)對開關(guān)磁阻電機(jī)的故障診斷和處理。但該裝置對于電機(jī)的控制和故障檢測依賴采集數(shù) 據(jù)的時效性，無法在故障發(fā)生前對故障進(jìn)行有效的預(yù)警，無法對未知的故障進(jìn)行監(jiān)測，不能 對電機(jī)可能的故障進(jìn)行模擬，從而無法主動獲取故障的故障數(shù)據(jù)庫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
[0006] 本發(fā)明是通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明設(shè)及一種開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，包括:電流輸入模塊、定子機(jī)座模塊和轉(zhuǎn) 子主軸模塊，其中：電流輸入模塊接收電機(jī)的實時電流信號并傳送到定子機(jī)座模塊，定子機(jī) 座模塊和轉(zhuǎn)子主軸模塊聯(lián)合生成仿真電磁場并輸出磁鏈，轉(zhuǎn)子主軸模塊根據(jù)磁鏈輸出仿真 扭矩信號、仿真角加速度信號和仿真角速度信號，定子機(jī)座模塊輸出仿真振動信號。
[000引所述的定子機(jī)座模塊包括:繞組模塊、定子模塊和機(jī)座模塊。
[0009] 所述的轉(zhuǎn)子主軸模塊包括:轉(zhuǎn)子模塊和主軸模塊。
[0010] 所述的機(jī)座模塊包括:主體機(jī)座單元、前端蓋單元和后端蓋單元。
[0011] 所述的電流輸入模塊包括用于接收實時電流信號中相電流信號的A相電流輸入模 塊、B相電流輸入模塊、C相電流輸入模塊和D相電流輸入模塊。
[0012] 所述的繞組模塊包括用于接收A相電流信號Ia的A相繞組單元、用于接收B相電流 信號Ib的B相繞組單元、用于接收C相電流信號Ic的C相繞組單元和用于接收D相電流信號Id 的D相繞組單元。
[0013] 所述的磁鏈的計算公式為 其中：4為磁鏈，U為相電壓值，CO 為轉(zhuǎn)子角速度，為關(guān)斷角，0。。為開通角，0為轉(zhuǎn)子位置。
[0014] 所述的仿真振動信號的計算公式為:[M]巧+問巧+ [^：]{4 =盧(啼，其中：[1]是質(zhì) 量矩陣，[C]是結(jié)構(gòu)阻尼矩陣，比]是彈性剛度矩陣，{x}是位移矢量，權(quán)}是速度矢量，{巧是加 速度矢量，{F(t)}是電磁力矢量。
[0015] 所述的仿真角加速度信號和仿真角速度信號通過公式
実得， 其中為轉(zhuǎn)子角速度，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，Tl為第i相電磁轉(zhuǎn)矩，IY為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)為阻尼系 數(shù)，m為電機(jī)相數(shù)。
[0016] 所述的仿真扭矩信號的公式^
庚中：T為扭矩，L為電感，0為轉(zhuǎn)子位置。
[0017] 本發(fā)明設(shè)及一種基于所述開巧磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，具體包括W下步 驟：
[0018] 1)將各項系統(tǒng)參數(shù)輸入開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)并輸入實時電流信號后，輸出仿真 信號；
[0019] 2)將仿真信號與實際運行信號進(jìn)行對比計算，如果仿真信號與實際運行信號偏差 在設(shè)定范圍內(nèi)則電機(jī)運行正常并進(jìn)行故障預(yù)測，否則進(jìn)行下一步；
[0020] 3)結(jié)合故障數(shù)據(jù)庫進(jìn)行故障判斷，并進(jìn)行故障處理。
[0021] 所述的故障數(shù)據(jù)庫通過W下步驟建立：
[0022] 1)模擬電機(jī)故障并仿真電機(jī)的故障運行，將開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)修改為 電機(jī)的故障參數(shù)，輸入儲存的實時電流信號并運行，輸出仿真信號；
[0023] 2)對仿真信號進(jìn)行相關(guān)性分析，得到故障參數(shù)集，故障參數(shù)集由故障類型所決定；
[0024] 3)將得到故障參數(shù)集與歷史故障監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，如果匹配則將故障參數(shù)集存入故 障數(shù)據(jù)庫，否則回到步驟2)。 技術(shù)效果
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用監(jiān)測系統(tǒng)仿真運行并與開關(guān)磁阻電機(jī)的實時數(shù)據(jù)對 比來監(jiān)測電機(jī)的運行狀態(tài)，基于參數(shù)可調(diào)的監(jiān)測系統(tǒng)模型，仿真開關(guān)磁阻電機(jī)的故障狀態(tài) 運行，獲取故障數(shù)據(jù)庫，故障數(shù)據(jù)庫可W為電機(jī)故障的預(yù)測和檢測提供對比數(shù)據(jù)來源，故障 數(shù)據(jù)庫的搭建也實現(xiàn)了對電機(jī)故障機(jī)理的驗證。
【附圖說明】
[0026] 圖1為開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2為監(jiān)測方法流程圖；
[0028] 圖3為故障數(shù)據(jù)庫建立流程圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在W本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施 例。 實施例1
[0030] 如圖1所示，本實施例的開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)包括：電流輸入模塊、定子機(jī)座模 塊和轉(zhuǎn)子主軸模塊，其中：電流輸入模塊接收電機(jī)的實時電流信號并傳送到定子機(jī)座模塊， 定子機(jī)座模塊和轉(zhuǎn)子主軸模塊聯(lián)合生成仿真電磁場并模擬電磁力，轉(zhuǎn)子主軸模塊根據(jù)電磁 力輸出仿真扭矩信號、加速度信號和速度信號，定子機(jī)座輸出仿真振動信號。
[0031] 所述的定子機(jī)座模塊包括:繞組模塊、定子模塊和機(jī)座模塊。
[0032] 所述的機(jī)座模塊包括:主體機(jī)座單元、前端蓋單元和后端蓋單元。
[0033] 所述的轉(zhuǎn)子主軸模塊包括:轉(zhuǎn)子模塊和主軸模塊。
[0034] 所述的定子模塊需要賦予對應(yīng)的定子參數(shù)，包括:定子外徑、定子內(nèi)徑、鐵屯、長度、 疊壓系數(shù)、定子級數(shù)、娃鋼片牌號、極弧系數(shù)和輛部高度。
[0035] 所述的繞組模塊需要賦予對應(yīng)的繞組參數(shù)，包括:絕緣厚度、并繞根數(shù)、導(dǎo)線直徑、 并聯(lián)路數(shù)、每極線圈應(yīng)數(shù)和導(dǎo)線漆膜厚度。
[0036] 所述的轉(zhuǎn)子模塊需要賦予相應(yīng)的轉(zhuǎn)子參數(shù)，包括:轉(zhuǎn)子外徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑、鐵屯、長度、 疊壓系數(shù)、轉(zhuǎn)子級數(shù)、娃鋼片牌號，極弧系數(shù)和輛部高度。
[0037] 所述的主軸模塊需要賦予相應(yīng)的主軸參數(shù)，包括:碳鋼牌號、軸承型號、長度和負(fù) 載。
[0038] 所述的機(jī)座模塊需要賦予相應(yīng)的機(jī)座參數(shù)，包括:娃鋼片牌號和質(zhì)量。
[0039] 所述的主體機(jī)座單元、前端蓋單元和后端蓋單元設(shè)定的材料均為侶合金，需要輸 入體積參數(shù)。
[0040] 所述的電流輸入模塊包括用于接收實時電流信號中相電流信號的A相電流輸入模 塊、B相電流輸入模塊、C相電流輸入模塊和D相電流輸入模塊。
[0041] 所述的繞組模塊包括用于接收A相電流信號Ia的A相繞組單元、用于接收B相電流 信號Ib的B相繞組單元、用于接收C相電流信號Ic的C相繞組單元和用于接收D相電流信號Id 的D相繞組單元。
[0042] 所述的磁鏈由各相電流信號、繞組模塊、定子模塊和轉(zhuǎn)子模塊共同確定，其公式 為：
，其中：4為磁鏈，U為相電壓值，CO為轉(zhuǎn)子角速度，0〇ff為關(guān)斷角，0。。 為開通角，0為轉(zhuǎn)子位置。
[00創(chuàng)所述的仿真振動信號公式為：嶺柩K[邱坤+聞材二護(hù)的}，其中：[M]是質(zhì)量矩 陣，[C]是結(jié)構(gòu)阻尼矩陣，比]是彈性剛度矩陣，{x}是位移矢量，較}是速度矢量，巧}是加速度 矢量，{F(t)}是電磁力矢量。
[0044] 所述的仿真角速度信號和仿真角加速度信號公式關(guān) 式中： ?為轉(zhuǎn)子角速度，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，Tl為第i相電磁轉(zhuǎn)矩，化為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)為阻尼系數(shù)，m為 電機(jī)相數(shù)。
[0045] 所述的仿真扭矩信號公式為：
式中：T為扭矩，L為電感，0為轉(zhuǎn)子位置。
[0046] 本系統(tǒng)工作時，根據(jù)實際工況確定系統(tǒng)參數(shù)，即定子參數(shù)、轉(zhuǎn)子參數(shù)、繞組參數(shù)、機(jī) 座參數(shù)、轉(zhuǎn)子參數(shù)和主軸參數(shù)。實時采集運行中的開關(guān)磁阻電機(jī)的實時電流信號，傳遞給電 流輸入模塊，并將相電流信號Ia、Ib、Ic和Id分配給各相繞組單元。各個繞組單元接收實時電 流信號，同定子模塊和轉(zhuǎn)子模塊一起，模擬出仿真電磁場，并通過公式計算出磁鏈，并傳遞 到機(jī)座模塊和主軸模塊。
[0047] 所述的機(jī)座模塊中的主體機(jī)座單元、前端蓋單元和后端蓋單元，根據(jù)磁鏈模擬電 機(jī)振動，并輸出仿真振動信號。
[004引所述的主軸模塊根據(jù)磁鏈，模擬電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過公式計算并輸出仿真扭矩信號、仿 真角速度信號和仿真角加速度信號。
[0049] 將得出的仿真振動信號、仿真角速度信號、仿真角加速度信號和仿真扭矩信號與 開關(guān)磁阻電機(jī)實際運行輸出的實際運行信號進(jìn)行對比，即可分析出開關(guān)磁阻電機(jī)是否運行 正常。
[0050] 如圖2所示，所述的開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法具體包括W下步驟：
[0051] 1)將各項參數(shù)輸入開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)并輸入實時電流信號后，輸出仿真信 號。
[0052] 根據(jù)實際工況，確定系統(tǒng)參數(shù)，并賦予到相應(yīng)模塊或單元，構(gòu)成完整的物理組件模 型即所述的監(jiān)測系統(tǒng)。將開關(guān)磁阻電機(jī)的實時電流信號，輸入監(jiān)測系統(tǒng)中，并與實際工況中 的開關(guān)磁阻電機(jī)同步虛擬運行。而后，輸出仿真信號，即仿真振動信號、仿真扭矩信號、仿真 角速度信號和仿真角加速度信號。
[0053] 2)將仿真信號與實際運行信號進(jìn)行對比計算，如果仿真信號與實際運行信號偏差 在設(shè)定范圍內(nèi)則電機(jī)運行正常并進(jìn)行故障預(yù)測，否則進(jìn)行下一步。
[0054] 將監(jiān)測系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的仿真信號W及實際電機(jī)運行的信號進(jìn)行對比計算，判斷偏 差。如果偏差在設(shè)定范圍內(nèi)，則判定開關(guān)磁阻電機(jī)在正常運行，結(jié)合故障數(shù)據(jù)庫，預(yù)測開關(guān) 磁阻電機(jī)可能出現(xiàn)故障的部件。如果偏差超過設(shè)定范圍則進(jìn)行下一步驟。
[0055] 3)結(jié)合故障數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行故障判斷，并進(jìn)行故障處理。
[0056] 利用故障數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障匹配，判斷故障的部位W及程度，而后進(jìn)行處 理。
[0057] 如圖3所示，所述的故障數(shù)據(jù)庫的建立步驟包括W下步驟：
[0058] 1)模擬電機(jī)故障并仿真電機(jī)的故障運行，將開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)修 改為電機(jī)的故障參數(shù)，輸入儲存的實時電流信號并運行，輸出仿真信號。
[0059] 2)對仿真信號進(jìn)行相關(guān)性分析，得到故障參數(shù)集，故障參數(shù)集由故障類型所決定。
[0060] 3)將得到故障參數(shù)集與歷史故障監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，如果匹配則將故障參數(shù)集存入故 障數(shù)據(jù)庫，否則回到上一步驟。
[0061] 調(diào)取故障機(jī)理和對應(yīng)的開關(guān)磁阻電機(jī)歷史故障監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過與系統(tǒng)的故障參數(shù) 集進(jìn)行比對匹配。
[0062] 如果故障參數(shù)集與歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)不匹配，則重新獲取故障參數(shù)集，再次進(jìn)行機(jī)理 驗證，直至故障參數(shù)集與歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到匹配。
[0063] 數(shù)據(jù)匹配之后，將故障狀態(tài)下開關(guān)磁阻電機(jī)的故障參數(shù)集存儲于數(shù)據(jù)庫中，同時 將故障的類型記入故障數(shù)據(jù)庫。在故障數(shù)據(jù)庫本身可W作為電機(jī)故障機(jī)理的驗證，同時，故 障數(shù)據(jù)庫也可作為故障診斷和故障預(yù)測的依據(jù)。
[0064]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用監(jiān)測系統(tǒng)仿真運行并與開關(guān)磁阻電機(jī)的實時數(shù)據(jù)對 比來監(jiān)測電機(jī)的運行狀態(tài)，基于參數(shù)可調(diào)的監(jiān)測系統(tǒng)模型，仿真開關(guān)磁阻電機(jī)的故障狀態(tài) 運行，獲取故障數(shù)據(jù)庫，故障數(shù)據(jù)庫可W為電機(jī)故障的預(yù)測和檢測提供對比數(shù)據(jù)來源，故障 數(shù)據(jù)庫的搭建也實現(xiàn)了對電機(jī)故障機(jī)理的驗證。
【主權(quán)項】
1. 一種開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括：電流輸入模塊、定子機(jī)座模塊和轉(zhuǎn) 子主軸模塊，其中：電流輸入模塊接收電機(jī)的實時電流信號并傳送到定子機(jī)座模塊，定子機(jī) 座模塊和轉(zhuǎn)子主軸模塊聯(lián)合生成仿真電磁場并輸出磁鏈，轉(zhuǎn)子主軸模塊根據(jù)磁鏈輸出仿真 扭矩信號、仿真角加速度信號和仿真角速度信號，定子機(jī)座模塊輸出仿真振動信號； 所述的磁鏈為：庚中：Φ為磁鏈，U為相電壓值，ω為轉(zhuǎn)子角速度， 0Dff為關(guān)斷角，Θ。。為開通角，Θ為轉(zhuǎn)子位置； 所述的仿真角加速度信號和仿真角速度信號通過庚得，其中：ω為 轉(zhuǎn)子角速度，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，Τ功第i相電磁轉(zhuǎn)矩，Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)為阻尼系數(shù)，m為電機(jī) 相數(shù)； 所述的仿真扭矩信號夫其中:T為扭矩，L為電感，Θ為轉(zhuǎn)子位置； 所述的仿真振動信號為:[M]巧+問W +悶村=護(hù)帥，其中：[M]是質(zhì)量矩陣，[口是結(jié) 構(gòu)阻尼矩陣，[K]是彈性剛度矩陣，{x}是位移矢量，{巧是速度矢量，{巧是加速度矢量，{F (t)}是電磁力矢量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述的定子機(jī)座模塊包 括:繞組模塊、定子模塊和機(jī)座模塊;所述的轉(zhuǎn)子主軸模塊包括:轉(zhuǎn)子模塊和主軸模塊;所述 的機(jī)座模塊包括:主體機(jī)座單元、前端蓋單元和后端蓋單元。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述的電流輸入模塊包括 用于接收實時電流信號中相電流信號的A相電流輸入模塊、B相電流輸入模塊、C相電流輸入 模塊和D相電流輸入模塊;所述的繞組模塊包括用于接收A相電流信號Ια的A相繞組單元、用 于接收B相電流信號Ib的B相繞組單元、用于接收C相電流信號Ic的C相繞組單元和用于接收D 相電流信號Id的D相繞組單元。4. 一種基于權(quán)利要求1~3中任一所述系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括W下步驟： 1) 將各項系統(tǒng)參數(shù)輸入開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)并輸入實時電流信號后，輸出仿真信 號； 2) 將仿真信號與實際運行信號進(jìn)行對比計算，如果仿真信號與實際運行信號偏差在設(shè) 定范圍內(nèi)則電機(jī)運行正常并進(jìn)行故障預(yù)測，否則進(jìn)行下一步； 3) 結(jié)合故障數(shù)據(jù)庫進(jìn)行故障判斷，并進(jìn)行故障處理。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的監(jiān)測方法，其特征是，所述的故障數(shù)據(jù)庫通過W下步驟建立： 1) 模擬電機(jī)故障并仿真電機(jī)的故障運行，將開關(guān)磁阻電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)修改為 電機(jī)的故障參數(shù)，輸入儲存的實時電流信號并運行，輸出仿真信號； 2) 對仿真信號進(jìn)行相關(guān)性分析，得到故障參數(shù)集； 3) 將得到故障參數(shù)集與歷史故障監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，如果匹配則將故障參數(shù)集存入故障數(shù) 據(jù)庫，否則回到上一步驟。
【文檔編號】H02P21/14GK105978429SQ201610296797
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】劉成良, 黃亦翔, 汪波, 汪一波, 李炳初, 凌曉, 貢亮, 李彥明
【申請人】上海交通大學(xué)