Способ диагностики двухполюсного ротора с постоянными магнитами
DIAGNOSTIC METHOD OF DOUBLE-POLE ROTOR WITH PERMANENT MAGNETS

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к устройствам, используемым для диагностики электрических машин с постоянными магнитами в синхронных машинах (англ. synchronous electrical machines with permanent magnets, сокращенно - SEMPM).
Известен способ определения температуры постоянных магнитов в многофазных синхронных машинах переменного тока [патент US №8,222,844 В2 С2, Н02Р 6/00, опубл. 17.07.2012], по которому измеряют температуру постоянных магнитов в электрической машине и определяют их остаточную индукцию. Температуру магнита можно определить, если измерять фазное напряжение и скорость вращения электрической машины.
Недостатком данного способа является ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью конструкции и невозможностью точного определения механических повреждений постоянных магнитов в роторе электрической машины.
Известен способ диагностики повреждений постоянных магнитов и управления электрической машиной [патент US №9,647,591 В2, Н02Н 7/08, Н02Р 21/14, опубл. 9.05.2017], по которому диагностику повреждений постоянных магнитов осуществляются по току и напряжению. По напряжению определяют форму кривой электродвижущей силы. Полученную информацию о форме используют для оценки состояния постоянных магнитов.
Недостатком данного способа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью конструкции и невозможностью точного определения расположения повреждений постоянных магнитов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ диагностики для обнаружения неисправности ротора с постоянными магнитами в синхронных машинах [патент US №2016/0097814 A1, G01R 31/34, опубл. 7.04.2016], по которому диагностику постоянных магнитов осуществляют током q-оси, током d-оси, напряжением на оси q и/или оси d. Полученную информации используют для определения формы потока, в результате чего определяется состояние постоянных магнитов на роторе электрической машины. Оценка может быть использована для идентификации повреждений одного или нескольких магнитов, которые могут возникать в результате повышенных температурных условий, физического или химического разложения.
Недостатками ближайшего аналога являются большие массогабаритные показатели, низкая эффективность, ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью конструкции, а также отсутствие возможности определения расположения повреждения.
Задачами изобретения являются диагностирование сколов и локальных повреждений двухполюсных роторов, а также своевременное выявление повреждения постоянных магнитов.
Техническим результатом является повышение точности и эффективности диагностики двухполюсных роторов с постоянными магнитами.
Технический результат достигается за счет того, что по способу диагностики электрической машины с постоянными магнитами в синхронных машинах, по которому определяют неисправность ротора по напряжению, согласно изобретению, в электрическую машину устанавливают дополнительную трехфазную обмотку, катушки каждой фазы расположены относительно друг друга на 120°, затем измеряют электромагнитную силу, наводящую в дополнительной обмотке при вращении ротора, и по измеренной форме кривой электродвижущей силы и ее гармоническому составу судят об исправности электрической машины с постоянными магнитами, если кривая электродвижущей силы искажена в первом либо в четвертом квадранте, то ротор с постоянными магнитами не исправен.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 показана осциллограмма экспериментальных исследований дефектного ротора.
На фиг. 2 показана осциллограмма экспериментальных исследований исправного ротора.
На фиг. 3 изображена схема распределения магнитного потока ротором SEMPM с дефектным ротором.
Пример конкретной реализации способа.
Для понимания физической сути данного процесса представляется целесообразным рассмотреть его математическое описание. Расчетная схема с распределением линий магнитной индукции постоянных магнитов ротора приведена на фиг. 3.
При математическом анализе процессов локального размагничивания постоянных магнитов используются следующие допущения:
- так как диагностическая ЭДС получается с дополнительной обмотки и является ЭДС холостого хода, то рассматривается магнитное поле холостого хода;
- рассматривается двухполюсная магнитная система ротора;
- магнитная проницаемость стали сердечника, а также стали вала равна бесконечности, магнитная проницаемость воздушного зазора равна магнитной проницаемости вакуума;
- аксиальная составляющая напряженности магнитного поля в торцевых поверхностях ротора равна 0, т.е. рассматривается SEMPM бесконечной длины.
- обмотка в исследуемом SEMPM представляется в виде тонкого медного слоя, вектор плотности токов содержит только аксиальную составляющую;
- вихревые токи, наводимые пространственными и временными гармониками статора в постоянных магнитах и бандажной оболочке ротора не учитываются. При этом важно отметить, что в ряде случае, поле создаваемое вихревыми токами в обмотки SEMPM, может также являться диагностическим критерием сколов и локального размагничивания. Вопросы исследования полей вихревых токов, наводимых в обмотке SEMPM, раскрыты в работе (Ismagilov, F.R., Vavilov, V.E., Karimov, R.D. Improving the efficiency of electrical high-rpm generators with permanent magnets and tooth winding Progress In Electromagnetics Research M 63, c. 93-105);
- магнитное поле на поверхности постоянного магнита задано в виде гармонического ряда нормальной составляющей магнитной индукции на поверхности постоянного магнита (Ismagilov, F.R., Vavilov, V.Y., Miniyarov, А.Н., Veselov, A.M., Ayguzina, V.V. Design, optimization and initial testing of a high-speed 5-kw permanent magnet generator for aerospace application Progress In Electromagnetics Research С vol. 79, c. 225-240):
при ; .
При анализе магнитного поля в SEMPM мы оперируем уравнениями Максвелла:
; ; ; ; ;
где  - вектор магнитной индукции результирующего магнитного поля;  - вектор напряженности электрического и магнитного полей;
- вектор скорости движения ротора;  - электрическая проводимость обмотки статора;  - вектор плотности индуцированных токов;
- вектор плотности сторонних токов.
Так как, локальное размагничивание постоянных магнитов должно проявляться и при режиме нагрузке SEMPM, и при режиме холостого хода, то для обобщенности математического описания целесообразно рассмотреть режим холостого хода SEMPM. Для решения данной задачи рассматривается уравнение Лапласа в цилиндрических координатах с учетом условий непрерывности линий магнитного поля:
, , ,
r
ϕ
где H, H радиальная и тангенциальная составляющие напряженности магнитного поля в немагнитном зазоре SEMPM.
Локальное размагничивание полюса или скол полюса приведет к уменьшению величины индукции на поверхности постоянных магнитов и изменению амплитуды намагниченности постоянных магнитов.
Экспериментальные исследования выполнялись электрической машиной с тремя катушками, расположенными относительно друг друга на 120°. Все испытания производились в генераторном режиме SEMPM при работе на активную нагрузку.
Для минимизации потерь в магнитопроводе статора для всех исследуемых топологий используют аморфный магнитный материал 5БДСР с индукцией насыщения 1,35 Тл и толщиной листа 25 мкм. Статор имеет полную длину 45 мм и состоит из 9 стеков длиной по 5 мм. В качестве магнитов ротора использовались магниты Sm2Co17 остаточной индукцией 1,07 Тл и коэрцитивной силой 756 кА/м. Для минимизации потерь магниты выполнены шихтованными в осевом направлении. Ротор имеет активную длину 50 мм. Обмотка выполнена из провода ПНЭТ-имид с температурным индексом 220°С. Пазовая изоляция выполнена из полиамидной пленки.
Испытания выполнялись на пониженной частоте 2800 об/мин. Пониженная частота вращения ротора использовалась в связи с тем, что бандажные оболочки роторов SEMPM были удалены. При испытаниях использовались подшипники SKF 638/8-2Z, способные обеспечить частоту вращения до 90000 об/мин. Приводным двигателем стенда являлся асинхронный двигатель мощностью 4 кВт.
Главной задачей при испытаниях макетов была оценка их электродвижущей силы (ЭДС) в зависимости от дефекта ротора. ЭДС измерялась с помощью осциллографа Gwinstek GDS-73154, анализ гармонического спектра напряжения осуществлялся с помощью анализатора гармоник Призма-50. Результаты экспериментальных исследований для исправного и дефектного ротора приведены на фигуре 1 и 2.
Результаты экспериментальных исследований по измерению ЭДС SEMPM при холостом ходе в генераторном режиме. При установке дефектного ротора в SEMPM с зубцовой обмоткой типа alternate teeth wound выходная ЭДС становится ассиметричной относительно оси абцисс. Подобная форма ЭДС практически не встречается в электрических машинах. При этом установка исправного ротора в данный образец SEMPM привела к симметричности выходного ЭДС относительно оси абцисс. Таким образом, диагностическим критерим одностороннего скола или локального размагничивания постоянного магнита при данном типе обмотке, числе полюсов и числе пазов является несимметрчиность выходного напряжения по оси абцисс. Аналогичные результаты были получены и при полной нагрузке, что доказывает: ток в обмотках SEMPM практически не влияет на выявленные диагностические критерии (ассиметричность выходного ЭДС относительно оси абцисс).
Таким образом, обеспечивается повышение точности и эффективности диагностики двухполюсных роторов с постоянными магнитами.