CN109239599B - 一种永磁同步电机退磁故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，该方法通过进行不同类型的退磁故障实验建立样本库，提取线圈元件的反电势，求取退磁故障后的反电势及健康状态下的反电势残差量作为故障特征量，同时通过相关公式转换建立退磁故障特征量样本库和能量区间库。实时获取线圈反电势信号，根据反电势残差信号的大小，利用相关系数法分析实测的故障特征量与查找表中各故障特征量的相关性，通过反电势残差信号能量的大小，同时结合相关系数的分析结果可以诊断退磁故障以及退磁程度，同时可以区分均匀退磁和局部退磁，并且在电机发生局部退磁故障时能进行快速、准确的故障磁极的定位，有效提高诊断永磁同步电机退磁故障的精确性。

Description

一种永磁同步电机退磁故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电机故障诊断领域，具体是关于永磁同步电机退磁故障检测、退磁模式识别、退磁程度评估和退磁磁极定位的方法。

背景技术

永磁同步电机因其具有高功率密度、高效率、高可靠性等优点，在工业伺服驱动、机器人、航空航天、新能源汽车以及新能源发电等领域获得了广泛应用。然而，永磁材料稳定性易受工作温度、电枢反应、制造缺陷及自然寿命等因素的影响而产生磁力损失导致磁感应强度幅值减小或畸变，形成永磁体局部退磁或均匀退磁故障。当永磁体出现不可逆退磁故障时，电机将出现发热严重，过载能力下降，这将导致电机性能下降，严重情况下电机可能失控和报废。对电机的早期退磁故障的诊断不仅可以提高电机运行的可靠性，延长电机的使用寿命，同时改变了维修方式，减少了突发性的事故停产，减少了过剩维修，降低了维修费用，提高了作业率。因此，对永磁同步电机退磁故障诊断研究具有非常重要的意义。

目前，关于退磁故障的研究集中在故障检测和故障程度识别方面,采用的方法主要包括基于定子电流信号的数据驱动诊断方法和基于模型驱动的诊断方法。

大量研究表明，当永磁同步电机出现永磁体局部退磁故障时，电枢电流中将产生如式（1）所示的故障特征谐波，即有

(1)

式中：fs 为定子基波电流频率，p表示电机极对数，k取正整数。

利用FFT或时频分析方法等信号处理技术提取永磁同步电机定子电流中式（1）所示的故障特征谐波进行永磁同步电机永磁体退磁故障诊断，此方法无需增加系统硬件，不需要电机的数学模型，可以在独立于电机参数和系统控制方式的前提下，通过信号处理技术对定子电流进行分析与处理以提取有效的故障特征，实现永磁同步电机局部退磁故障的诊断。然而，这种方法只适用于局部退磁故障，不适用于均匀退磁故障的检测；同时永磁同步电机驱动电源多为变频器驱动，其输出电压为非正弦，导致电流中包含大量的谐波成分，难以跟故障信息区分；在不平衡工况下，定子电流谐波成分也变得更复杂，难以区分故障信息；在某些定子绕组结构下，电机发生退磁故障时电流中不会产生新的谐波分量。这些都给利用电流谐波检测退磁故障带来困难。

基于模型驱动的方法通过对PMSM模型分析而获得永磁体磁链实现永磁体退磁故障的诊断，主要包括有限元法和解析模型法。有限元法通过对永磁同步电机物理模型的分析与处理，获取永磁体磁链的准确信息，但其为物理模型，难以与永磁同步电动机驱动系统直接衔接，且计算量大，实时性差，很难实现永磁体退磁故障的在线诊断，因此该方法主要用于PMSM设计过程中的永磁体抗退磁设计。解析模型法是采用动态数据处理技术构建永磁体磁链在线观测器，该方法能够为退磁故障诊断提供精确的定量数据，但无法识别退磁故障模式，即无法区分退磁故障属于局部退磁还是均匀退磁。

申请号201711341083.0公开了一种《永磁同步直线电机的退磁检测装置及检测方法》，通过检测待测直线电机三个测点位置处气隙磁密的分布以实现退磁检测；通过判断待测磁密与正常磁密分布的差值分布，并提取退磁故障特征，采用PNN分类算法实现退磁故障的辨识。但该方法需要大量的样本数据作为训练数据，且在多磁极电机时，不同磁极退磁故障的特征组合的类型太多，运算量大。

目前的研究存在以下技术问题：

（1）目前，大部分诊断方法只适用于特定的运行条件下，或具有特定的形状和拓扑结构的PMSM。

（2）目前，大部分诊断方法只能实现单一退磁模式的诊断，没有一种有效的方法能实现均匀退磁故障和局部退磁故障模式的识别。

（3）目前，大部分诊断方法主要集中在退磁的检测和退磁程度的识别，没有一种有效的方法能实现退磁磁极的准确定位。

发明内容

本发明为了解决现有退磁故障诊断技术中存在的问题,提供了一种永磁同步电机退磁故障的检测、退磁模式识别、退磁程度评估和退磁磁极定位的方法,它能够克服现有退磁诊断方法的缺陷,不受运行条件和电机结构的影响，不仅可以检测退磁故障、识别退磁程度，并且可以区分均匀退磁和局部退磁，还可以确定退磁磁极的位置，有效提高永磁同步电机退磁故障诊断的精确性。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤（1）建立样本电机退磁故障特征量样本库

选取与待诊断电机相同的电机作为样本电机，对样本电机磁极依次进行编号（编号依次为1,2,3…n，n为正整数），指定样本电机定子上的任意一个线圈元件作为探测线圈，截取样本电机稳定运行的一个旋转周期的健康状态时线圈反电势及各个编号磁极单个退磁时的线圈反电势e₁,e₂,…,e_n，将各个编号磁极退磁时的线圈反电势依次与健康状态的线圈反电势作差处理，得到各个编号永磁体退磁时线圈反电势残差信号a₁,a₂,…,a_n，对其进行了归一化处理，得到归一化后故障特征量b₁,b₂,…,b_n，并存于退磁故障特征量样本库；

步骤（2）建立样本电机不同退磁磁极个数的线圈反电势残差信号能量区间库

获取不同退磁磁极个数的线圈反电势残差信号，利用公式（2）计算其能量E_J，并建立不同退磁磁极个数的线圈反电势残差信号对应的能量区间库；

（2）

式中：

表示是电机稳定运行的一个旋转周期采样点个数，

表示为第几个采样点，

表示退磁磁极个数为时线圈反电势残差信号第

个采样点的值；

步骤（3）指定待诊断电机上与样本电机相同位置的线圈作为探测线圈，获取待诊断电机的线圈反电势，将其与健康状态下线圈反电势

作差处理得到线圈反电势残差

，然后对

进行归一化处理得到归一化后的线圈反电势残差

；

步骤（4）当所述归一化后的线圈反电势残差

大于设定阈值A时，则待诊断电机发生退磁故障，否则没有发生退磁故障；

步骤（5）利用公式（3）计算归一化后的线圈反电势残差

与故障样本库特征量b₁,b₂,…,b_n之间的相关性系数k₁,k₂,…,k_n，如果k₁,k₂,…,k_n之间的

差值最大不超过设定阈值B，则认为待诊断电机发生均匀退磁故障，否则发生了局部退磁故障；

（3）

式中：

是归一化后的线圈反电势残差

和故障样本库特征量b_i(i=1,2,…,n)的协方差，,

分别为归一化后的线圈反电势残差

和故障样本库特征量b_i(i=1,2,…,n)的方差；

步骤（6）如果待诊断电机发生了均匀退磁故障，根据所述线圈反电势残差

的幅值大小来识别均匀退磁的程度；

步骤（7）如果待诊断电机发生了局部退磁故障，利用公式（2）计算线圈反电势残差

信号的能量，根据能量区间库来确定退磁磁极个数

；

步骤（8）将步骤（5）计算的相关系数k₁,k₂,…,k_n从大到小进行排列，根据步骤（7）确定的退磁磁极个数

，相关系数为前

的编号所对应的磁极即为发生退磁故障的磁极；

步骤（9）根据步骤（3）获取

的的幅值大小来识别局部退磁的程度。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤（1）中反电势残差信号是测得的线圈元件反电势信号与健康状态下的线圈元件反电势信号的差值。

作为本发明的一种优选技术方案：为了消除永磁体在退磁程度不同时对故障特征幅值的影响，实现在永磁体不同程度退磁时依然能够确定退磁磁极的位置，所述步骤（1）和步骤（3）中归一化处理是幅值归一化，即把数据归一化到[-1,1]之间。

本申请的工作实现原理为：指定电机定子上的任意一个线圈元件作为探测线圈，获取电机旋转一周线圈元件反电势数据。永磁体健康状态下的线圈反电势按正弦规律变化。在退磁故障情况下，当退磁磁极经过指定线圈元件时，线圈反电势的波形发生变化。诊断方法如下：进行不同类型的退磁故障实验建立样本库，提取线圈元件的反电势，求取退磁故障后的反电势及健康状态下的反电势残差量作为故障特征量，同时将故障特征量进行归一化处理，利用退磁故障的数学模型分析不同组合的永磁体局部退磁及均匀退磁故障下故障特征量并将结果存于退磁故障特征量样本库。计算不同退磁磁极个数的线圈反电势残差信号能量并将结果存于能量区间库。实时获取线圈反电势信号，根据反电势残差信号的大小进行退磁故障检测及故障程度识别，利用相关系数法分析实测的故障特征量与查找表中各故障特征量的相关性并进行退磁故障模式识别，通过反电势残差信号能量的大小确定退磁的磁极个数，同时结合相关系数的分析结果进行故障永磁体的定位。该方法适用于均匀退磁及局部退磁故障。

本发明采用上述技术方案,能产生如下技术效果：

本发明利用线圈反电势残差作为故障特征量来实现退磁故障诊断，通过本发明不仅可以诊断退磁故障以及退磁程度，同时可以区分均匀退磁和局部退磁，并且在电机发生局部退磁故障时能进行快速、准确的故障磁极的定位，有效提高诊断永磁同步电机退磁故障的精确性。

附图说明：

图1永磁同步电机退磁故障的诊断的流程图。

图2 为实施例中电机磁极编号示意图。

图3中a、b、c为本发明中故障信号特征量提取过程图。

图4中a、b、c、d、e、f为提取出来的编号为1、2、3、4、5、6的前6个磁极单个退磁时归一化后的特征量波形图。

图5中a、b、c、d分别为均匀退磁故障为12.5%、25%、50%、75%的线圈元件反电势差值波形图。

具体实施方式：

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，本发明并不局限于此。

本发明实施例通过一台直驱永磁同步电机完成，选取了前六块作为测试磁极，其基本参数如表1所示。

表1样本电机的基本参数

如图1所示，本实施例中一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤（1）建立样本电机故障特征量样本库

首先对样本电机磁极依次进行编号，如图2中所示。本实施例选择前6个磁极作为研究退磁磁极的对象；然后分别获取健康状态下和前6个编号磁极单个退磁时的线圈反电势信号，截取其中稳定运行的一个旋转周期的信号，将健康状态下的线圈反电势

与各个编号磁极单个退磁时的线圈反电势e₁,e₂,…,e_n依次作差处理，其提取过程如图3所示，得到各个编号永磁体单个退磁时线圈反电势残差信号并将其作为故障特征量a₁,a₂,…,a_n。如图4中是前6个磁极分别退磁时故障特征量的放大图形。

为了消除永磁体退磁程度不同对故障特征幅值的影响，实现永磁体不同程度退磁时依然能够确定退磁磁极的位置，对步骤（1）中所述故障特征量a₁,a₂,…,a_n进行了归一化处理，得到归一化后故障特征量b₁,b₂,…,b_n，并存于退磁故障特征量样本库。

步骤（2）建立不同退磁磁极个数的故障特征量能量区间库

获取不同退磁磁极个数的线圈反电势残差信号，计算取其能量如公式（2）所示，建立不同退磁磁极个数的线圈反电势残差信号对应的能量区间数据库。如表2中，当能量是[500-1000]时，是一块磁极退磁；当能量是[1000-2000]时，是两块磁极退磁；当能量是[2000-3500]时，是三块磁极退磁。

表2 不同退磁磁极反电势差值的能量

步骤（3）指定待诊断电机上与样本电机相同位置的线圈作为探测线圈，获取待诊断电机的线圈反电势，将其与健康状态下线圈反电势

作差处理得到线圈反电势残差

，然后对

进行归一化处理得到归一化后的线圈反电势残差

。

步骤（4）当所述归一化后的线圈反电势残差

大于设定阈值时，此阈值设为0.1（本申请的阈值实际应用时根据诊断精度需求设定），则待诊断电机发生退磁故障，否则没有发生退磁故障。

步骤（5）利用公式（3）计算归一化后的线圈反电势残差

与所述的特征量b₁,b₂,…,b_n之间的相关性系数k₁,k₂,…,k_n，如果k₁,k₂,…,k_n之间的差值最大不超过0.01（本申请的阈值实际应用时根据诊断精度需求设定），则认为待诊断电机发生均匀退磁故障，否则发生了局部退磁故障，如表3所示。

表3不同程度均匀退磁故障与故障样本特征量之间的相关系数

步骤（6）如果待诊断电机发生了均匀退磁故障，根据所述线圈反电势残差

的幅值大小来识别均匀退磁的程度。如图5中所示不同程度均匀退磁故的线圈元件反电势差值波形图。

步骤（7）如果待诊断电机发生了局部退磁故障，利用公式（2）计算线圈反电势残差

信号的能量，根据能量区间库来确定退磁磁极个数

。

步骤（8）将步骤（5）计算的相关系数k₁,k₂,…,k_n从大到小进行排列，根据步骤（7）确定的退磁磁极个数

，相关系数为前

的编号所对应的磁极即为发生退磁故障的磁极。表4中可以看出，当发生单块磁极退磁故障时，选择相关系数最大的一个，其与对应编号的特征量的相关系数为1。当有两块磁极退磁时，会出现两个相邻和两个相隔两种情况，当退磁磁极是相邻时，其对应编号的相关系数的值是0.85左右；当退磁磁极是相隔时，其对应编号的相关系数的值都是0.7左右，但都是相关系数最大的两个编号的磁极发生了退磁故障。当是三块磁极退磁时，相关系数最大的三个编号是发生退磁故障的磁极。

步骤（9）根据步骤（3）获取的

的幅值大小来识别局部退磁的程度。

表4 不同退磁磁极个数和位置与特征量之间的相关系数

为了优化说明内容，本实施例选择电机的前6个磁极作为研究退磁磁极的对象，在实际应用时候，可以针对电机的所有磁极或者部分磁极作为研究对象，其退磁故障诊断方法与本实施例方法一致。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立样本电机退磁故障特征量样本库

选取与待诊断电机相同的电机作为样本电机，对样本电机磁极依次进行编号，编号依次为1,2,3…n，n为正整数，指定样本电机定子上的任意一个线圈元件作为探测线圈，截取样本电机稳定运行的一个旋转周期的健康状态时线圈反电势e₀及各个编号磁极单个退磁时的线圈反电势e₁,e₂,…,e_n，将各个编号磁极退磁时的线圈反电势依次与健康状态的线圈反电势作差处理，得到各个编号永磁体退磁时线圈反电势残差信号a₁,a₂,…,a_n，对其进行了归一化处理，得到归一化后故障特征量b₁,b₂,…,b_n，并存于退磁故障特征量样本库；

步骤2，建立样本电机不同退磁磁极个数的线圈反电势残差信号能量区间库获取不同退磁磁极个数的线圈反电势残差信号，利用公式(2)计算其能量E_J，并建立不同退磁磁极个数的线圈反电势残差信号对应的能量区间库；

式中：m表示是电机稳定运行的一个旋转周期采样点个数，i表示为第几个采样点，c_j(i)表示退磁磁极个数为j时线圈反电势残差信号第i个采样点的值；

步骤3，指定待诊断电机上与样本电机相同位置的线圈作为探测线圈，获取待诊断电机的线圈反电势，将其与健康状态下线圈反电势e₀作差处理得到线圈反电势残差e_residual，然后对e_residual进行归一化处理得到归一化后的线圈反电势残差e_norm；

步骤4，当所述归一化后的线圈反电势残差e_norm大于设定阈值A时，则待诊断电机发生退磁故障，否则没有发生退磁故障；

步骤5利用公式(3)计算归一化后的线圈反电势残差e_norm与故障样本库特征量b₁,b₂,…,b_n之间的相关性系数k₁,k₂,…,k_n，如果k₁,k₂,…,k_n之间的差值最大不超过设定阈值B，则认为待诊断电机发生均匀退磁故障，否则发生了局部退磁故障；

式中：Cov(e_norm,b_i)是归一化后的线圈反电势残差e_norm和故障样本库特征量b_i的协方差，i＝1,2,…,n，D(e_norm),D(b_i)分别为归一化后的线圈反电势残差e_norm和故障样本库特征量b_i的方差，i＝1,2,…,n；

步骤6，如果待诊断电机发生了均匀退磁故障，根据所述线圈反电势残差e_residual的幅值大小来识别均匀退磁的程度；

步骤7，如果待诊断电机发生了局部退磁故障，利用公式(2)计算线圈反电势残差e_residual信号的能量，根据能量区间库来确定退磁磁极个数N_fault；

步骤8，将步骤5计算的相关系数k₁,k₂,…,k_n从大到小进行排列，根据步骤7确定的退磁磁极个数N_fault，相关系数为前N_fault的编号所对应的磁极即为发生退磁故障的磁极；

步骤9，根据步骤3获取的e_residual的幅值大小来识别局部退磁的程度。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机退磁故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1中反电势残差信号是测得的线圈反电势信号与健康状态下的线圈元件反电势信号的差值。

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