工業伺服馬達磁鐵健康度評估( 使用馬達磁通估測法)

作者：

易承霈、劉家榮、Paul Santiago Tumbaco Casa、陳俊佑、楊士進、陸品丞

刊登日期：2021/06/29

摘要：永磁同步電機(PMSM)擁有較高的功率密度及工作效率，在運轉時啟動力矩大且噪音小等優點，近年來快速發展在無人機，風力發電及電動車等需高可靠度等應用上。然而，PMSM所普遍使用的銣鐵硼磁鐵，卻會受到溫度、震動及外加磁場等影響，導致磁石破裂或磁力退化等無法回復的傷害。因此本文提出以量測電壓電流訊號的方式進行磁通狀態估測，以期達到非侵入式，即時健康度診斷的效果。

Abstract：Permanent Magnetic Synchronous Motor (PMSM) is a highly applicable machine in electric vehicles or wind generators, which features high power density, good efficiency and reliability. However, the performance of NdFeB Magnet in PMSM can be damaged due to environment factor such as heat, vibration and external magnetic field. The magnet thus may suffer from rupture or irreversible demagnetization. In this paper, we purpose a new detecting method based on non-invasive measurement of voltage and current signal to establish a flux estimator, which can work for real time rotor health evaluation.

關鍵詞：永磁電機、電機故障、退磁、即時偵測

Keywords：Permanent magnet synchronous machines, Electrical fault, Demagnetization, Real time detection

前言
永久磁鐵為永磁同步馬達的關鍵零件之一，馬達的性能往往與永久磁鐵狀況呈直接相關。一旦永久磁鐵因風化腐蝕、撞擊破裂或短路電流磁化等因素造成磁力被破壞，導致磁場下降，為了達到額定輸出，將會使電流命令增加，造成內部電流的產生，縮減機器的使用壽命或造成更加嚴重的損壞例如裂開、短路。因此，現今有許多文獻提出不同的馬達健康檢測方法，可應用在不同的檢測條件下。在[1,2]中提出使用高頻訊號進行注入，觀測馬達在飽和狀況下響應的方式，根據電流波形變化來檢測不同轉子故障。亦有方法是透過電流頻譜分析[3,4]抓取錯誤特徵諧波作為退磁判斷依據，相似的方法也可樣應用於反電動勢分析上[5]，或是兩者結合[6]可應用在除退磁以外的馬達故障上。若是想得到更高靈敏度、可靠度的偵測方法，則可使用侵入式偵測裝置如線圈[7]或霍爾感應元件[8]進行量測，能有效區隔出細微且不同形式的故障訊號。除此之外隨著近年電腦對資訊運算能力的加強，也逐漸出現以數據建立錯誤模型，或使用特殊演算法進行馬達健康診斷的相關研究，在非穩態運轉時依然能有效判斷出故障訊號[9,10]。

然而實務上受到控制器本身效能的影響，使用快速傅立葉變換等頻譜分析工具會占用掉許多運算資源。另外前述許多偵測方法多須將馬達安裝在固定的測試平台上進行電訊號量測，沒辦法達到即時監測的目的。又或是使用侵入式裝置，無法用在已出廠的馬達上，安裝成本也相對較高。本文為此提出一套有主/被動兩種，可用在磁場健康度診斷之電壓電流分析方法，並以客製的12槽8極馬達進行實驗驗證，表1為馬達之相關規格。

退磁訊號分析
一般而言，馬達的退磁狀況分有兩種，分別為區域和均勻退磁。此外根據應用場合的不同，又可再分為離線與在線診斷方式。因此下文分區塊做說明，依序為離線退磁診斷及在線退磁診斷。

1.均勻靜態退磁診斷
在前言中提到，使用高頻弦波注入的方式[1]，可以根據馬達飽和程度的不同，擷取出退磁故障訊號。然而其所選擇的注入方法為高頻方波，且數據處理上必須擷取區域極值進行計算，增加訊號分析的複雜度。本文對此注入方式進行部分改動，改為注入帶有直流成分Vdc之高頻弦波：

(1)
圖1是一典型的馬達永磁之磁滯取線，當靜止狀態下電流向量與永磁N極(d軸)同向時，鐵心內部永磁與電流磁通疊加導致磁飽和現象發生，使電感大小發生變化。可以從圖2中得到電流方向與轉子N極位置之關係。

圖1 馬達磁滯曲線

 圖2 電流向量與電感關係

另外在圖1中亦可以見到，若在定子軸加入一直流向量電壓所產生之直流電流，將該方向磁飽和操作點進行移動；調整到電感變化幅度較大之位置，能增加偵測訊號的變化量與可讀性，可藉此找出不同馬達適合的偵測點。除此之外，此直流電流同時能吸住轉子並使其位置固定，有效避免轉子位置不同所造成的電感變化影響。

…本文未結束

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