一种三相异步电动机滚动轴承外滚道故障检测方法与流程

本发明属于驱动电机故障检测，特别是涉及一种三相异步电动机滚动轴承外滚道故障检测方法。

背景技术：

1、随着插电式混合动力汽车、纯电动汽车及燃料电池汽车的快速发展，三相异步驱动电机因结构可靠、成本较低及适应复杂工况能力强，被广泛应用于新能源汽车电驱系统中，滚动轴承作为驱动电机中的关键支撑部件，其运行状态直接影响电驱系统稳定性及整车运行安全，因此需要对滚动轴承外滚道故障进行实时、准确的检测，以满足新能源汽车远程运维及预测性维护需求。

2、目前针对三相异步电动机滚动轴承外滚道故障的检测方法，通常通过振动信号采集、频谱分析、包络解调或特征频率提取等方式实现故障识别，部分技术还会结合电流信号或温度信号进行综合诊断，然而，新能源汽车驱动电机长期运行于频繁启停、快速变速、再生制动及高频pwm驱动环境下，驱动电机转速和负载呈现明显非稳态变化，导致轴承外滚道故障特征频率发生漂移；同时，逆变器产生的高频电磁噪声及多源耦合振动会淹没早期微弱故障特征，使传统基于固定频谱分析的检测方式难以稳定提取故障信息，此外，在新能源汽车远程运维场景中，车联网带宽及车载计算资源受限，无法长期上传大量原始振动数据，进一步降低了远程故障诊断的准确性及实时性。

3、现有三相异步电动机滚动轴承外滚道故障检测技术，无法在新能源汽车复杂变工况及远程运维条件下实现外滚道早期故障特征的稳定提取与准确识别，为此，本发明提出一种三相异步电动机滚动轴承外滚道故障检测方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种三相异步电动机滚动轴承外滚道故障检测方法，解决现有三相异步电动机滚动轴承外滚道故障检测技术，无法在新能源汽车复杂变工况及远程运维条件下实现外滚道早期故障特征的稳定提取与准确识别的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明为一种三相异步电动机滚动轴承外滚道故障检测方法，包括以下步骤：

4、s1、采集三相异步电动机运行过程中的定子电流信号，并基于定子电流信号估算三相异步电动机转子的瞬时转速；

5、s2、依据预设参考角度构建多个旋转分析段，各旋转分析段均由对应参考角度起始并在三相异步电动机旋转预设圈数后结束，结合对应时间段内的瞬时转速，对各旋转分析段中的定子电流信号执行局部等角度重采样，以获取对应时间段内的角度域故障冲击信号；

6、s3、对各时间段对应的角度域故障冲击信号进行异常冲击特征提取，获取异常冲击对应的角度分布位置；

7、s4、比较不同时间段中异常冲击角度分布一致性，当多个时间段中的异常冲击持续出现在相同角度区域时，判定对应角度区域存在固定型外滚道缺陷；当异常冲击角度分布位置发生迁移、扩展时，判定外滚道缺陷处于扩展演化状态；

8、s5、基于不同时间段中的异常冲击角度分布位置构建异常冲击角度迁移轨迹，并结合车辆运行工况信息分析异常冲击与车辆运行工况之间的关联关系，以识别诱发外滚道缺陷演化的工况触发因素；

9、s6、依据异常冲击角度迁移轨迹建立外滚道故障地图，外滚道故障地图用于记录异常冲击在不同时间段中的角度分布区域、迁移方向及对应工况信息，并基于外滚道故障地图预测下一异常冲击的目标角度区域及外滚道缺陷扩展趋势；

10、s7、根据预测得到的目标角度区域生成外滚道故障预警结果。

11、进一步的，所述步骤s1中基于定子电流信号估算三相异步电动机转子的瞬时转速包括以下具体内容：

12、s1.1、对采集得到的三相定子电流信号执行高频噪声抑制处理，以滤除逆变器pwm开关频率对应的高频干扰分量；

13、s1.2、对噪声抑制后的三相定子电流信号进行基波频率锁定，获取电机同步频率；

14、s1.3、结合电动机实时运行电压、电流幅值及电机转差率计算转子机械瞬时转速，并生成对应的瞬时转速变化曲线。

15、进一步的，所述步骤s2中各旋转分析段均以预设参考角度作为起始位置，并在电动机连续旋转预设圈数后结束；根据对应时间段内的瞬时转速变化曲线计算各采样时刻对应的旋转角度，将时间域中的定子电流采样点重新映射至固定角度间隔对应的角度域坐标，以形成对应时间段内的局部等角度重采样序列。

16、进一步的，所述步骤s3中对角度域故障冲击信号进行异常冲击特征提取包括以下具体内容：

17、s3.1、对角度域故障冲击信号执行希尔伯特变换以获取包络信号；

18、s3.2、对包络信号进行阶次谱分析，提取外滚道故障特征阶次对应的谱线能量；

19、s3.3、依据谱线幅值变化确定异常冲击对应的角度分布位置及冲击强度。

20、进一步的，所述步骤s4中比较不同时间段中的异常冲击角度分布位置一致性包括以下内容：

21、s4.1、计算相邻时间段中的异常冲击中心角度偏移量及异常冲击覆盖角度范围；

22、s4.2、当连续多个时间段中的异常冲击中心角度偏移量均小于预设偏移阈值时，判定对应异常冲击属于固定型外滚道缺陷；

23、s4.3、当异常冲击中心角度偏移量持续增大且覆盖角度范围同步扩张时，判定对应外滚道缺陷处于扩展演化状态。

24、进一步的，所述步骤s5中构建异常冲击角度迁移轨迹时，按照时间顺序记录各时间段中的异常冲击中心角度、冲击强度及冲击覆盖范围，形成异常冲击角度时间序列，并结合车辆运行工况信息分析异常冲击角度迁移速度与车辆驱动转矩、再生制动状态及车辆行驶路段之间的对应关系，以识别诱发外滚道缺陷扩展的工况触发因素；

25、所述步骤s6中建立外滚道故障地图，包括：依据不同时间段中的异常冲击角度分布区域构建角度热度矩阵；根据异常冲击在各角度区域中的出现频率及冲击强度生成对应角度区域的故障风险等级；依据异常冲击角度迁移方向生成外滚道缺陷扩展路径图，并根据外滚道缺陷扩展路径图预测下一异常冲击的目标角度区域。

26、进一步的，所述s7中根据预测得到的目标角度区域生成外滚道故障预警结果包括以下具体内容：

27、s7.1、提高目标角度区域对应时间段内的信号采样频率及异常冲击检测灵敏度；

28、s7.2、计算目标角度区域中的异常冲击增长速率；

29、s7.3、当异常冲击增长速率连续超过预设增长阈值时，生成对应等级的外滚道故障预警信息。

30、进一步的，所述分析异常冲击角度迁移速度与车辆运行工况之间的对应关系，包括：获取车辆在不同运行工况下对应的驱动转矩变化方向、电机负载变化幅度及车辆纵向加速度；根据驱动转矩变化方向确定滚动轴承载荷主作用方向，并结合异常冲击角度迁移方向计算缺陷扩展方向与载荷主作用方向之间的耦合关系；当异常冲击角度迁移方向与载荷主作用方向持续一致，且异常冲击迁移速度随驱动转矩增大而持续增加时，判定对应运行工况对外滚道缺陷扩展具有促进作用，并提高对应运行工况在外滚道故障地图中的风险权重。

31、进一步的，所述建立外滚道故障地图并预测下一异常冲击的目标角度区域，包括：对不同时间段中的异常冲击角度偏移量进行持续性分析；当异常冲击仅在短时工况变化期间发生角度偏移，且对应异常冲击未在后续时间段中重复出现时，判定对应异常冲击属于瞬态偏置冲击；降低所述瞬态偏置冲击在外滚道故障地图中的风险权重，并缩减对应角度区域的风险覆盖范围；对连续多个时间段内重复出现的异常冲击角度迁移轨迹提高风险权重，以构建持续更新的动态故障地图，并基于更新后的动态故障地图预测下一异常冲击的目标角度区域及外滚道缺陷扩展方向。

32、进一步的，所述构建持续更新的动态故障地图，包括：对不同时间段中的异常冲击角度迁移方向进行连续统计，计算各迁移方向对应的重复出现频率及持续时间；将重复出现频率持续高于预设稳定阈值的迁移方向确定为主迁移方向；对偏离所述主迁移方向的瞬态角度跳变进行抑制，并降低对应异常冲击对外滚道故障地图更新结果的影响权重；基于所述主迁移方向构建外滚道缺陷稳定演化主轨迹，并依据所述稳定演化主轨迹预测外滚道缺陷的后续扩展路径及风险增长趋势。

33、本发明具有以下有益效果：

34、1、本发明通过基于定子电流信号构建局部等角度重采样序列，并结合异常冲击角度分布一致性分析，实现了变转速工况下外滚道故障冲击特征的稳定提取；同时，通过构建异常冲击角度迁移轨迹并结合车辆运行工况分析外滚道缺陷扩展行为，提高了新能源汽车复杂动态工况下外滚道故障识别准确性及故障扩展趋势分析能力。

35、2、本发明通过对不同时间段中的异常冲击角度偏移量进行持续性分析，识别瞬态偏置冲击并降低对应异常冲击在外滚道故障地图中的风险权重，从而减少短时随机扰动对故障地图更新结果的影响；并且通过提高连续重复出现的异常冲击角度迁移轨迹对应的风险权重，提高了外滚道故障地图对长期稳定缺陷扩展行为的表征能力，增强了外滚道缺陷扩展方向预测结果的稳定性。

36、3、本发明通过对不同时间段中的异常冲击角度迁移方向进行连续统计，确定外滚道缺陷的主迁移方向，并基于主迁移方向构建稳定演化主轨迹，从而降低短时工况扰动导致的故障地图方向跳变；并通过基于稳定演化主轨迹预测外滚道缺陷后续扩展路径及风险增长趋势，提高了外滚道缺陷长期演化行为分析结果的连续性及可靠性。