CN111308346B - 用于检测多相无刷励磁机定子励磁绕组故障的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法和系统及存储介质。方法包括：对于多相无刷励磁机的至少一组磁极中的每组磁极，在该组磁极的每个磁极上分别绕制子探测线圈，每组磁极包括相距P极的两个磁极，P为极对数；将所绕制的两个子探测线圈反向串联，以获得磁极探测线圈，磁极探测线圈的端口保持开路状态；检测磁极探测线圈的实际端口电压；计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值；计算在线监测值C；根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum；将C_sum与报警值a相比较，如果C_sum大于a，则确定存在定子励磁绕组故障，否则，确定不存在定子励磁绕组故障。可提高故障监测的灵敏度和可靠性。

Description

用于检测多相无刷励磁机定子励磁绕组故障的方法和系统

技术领域

本发明涉及电力系统主设备继电保护及在线监测技术领域，更具体地涉及一种用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法和系统及存储介质。

背景技术

多相环形绕组无刷励磁系统已经广泛应用于大型核电机组中，是核能发电系统中重要的组成部分，无刷励磁系统的安全稳定运行对于整个发电系统至关重要。但是，目前无刷励磁系统仅采用“弱保护”配置，一般的无刷励磁系统出厂仅配置简单的定子过流保护和旋转整流器二极管故障检测装置(DNC)保护，近年来由励磁机故障引起的停机检修事故也时有发生，“弱保护”的现状已经限制到大容量无刷励磁系统的发展。多相环形绕组无刷励磁机(简称为多相无刷励磁机)可能发生的电气故障种类很多，例如定子励磁绕组匝间短路(即本文所述的定子励磁绕组故障)、转子电枢绕组内部短路、旋转整流器二极管开路和电枢断线等，这些电气故障都会对无刷励磁系统以及整个核电系统的安全运行带来严重威胁。

图1示出现有多相无刷励磁机的部分结构的示意图。目前对于多相无刷励磁机的定子励磁绕组匝间短路故障检测主要是基于多相无刷励磁机的定子电流(即励磁机励磁电流)，通过定子励磁绕组匝间短路在定子励磁电流中引起的谐波分量来进行故障鉴别。这种方法的缺点在于，励磁机的定子励磁绕组电压通常是由交流电压源整流得到，会在运行中引入电流的固有谐波；并且定子励磁电流会受到自动电压调节器的影响，这些因素都会影响故障判据的准确性。

发明内容

考虑到上述问题而提出了本发明。本发明提供了一种用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法和系统及存储介质。

根据本发明一个方面，提供了一种用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法，包括：对于多相无刷励磁机的至少一组磁极中的每组磁极，

在该组磁极的每个磁极上分别绕制子探测线圈，其中，至少一组磁极中的每组磁极包括相距P极的两个磁极，P为多相无刷励磁机的极对数；

将在该组磁极上所绕制的两个子探测线圈反向串联，以获得与该组磁极相对应的磁极探测线圈，其中，磁极探测线圈的端口保持开路状态；

检测磁极探测线圈的实际端口电压；

计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算与该组磁极相对应的在线监测值C：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_M/P、U1_3M/P、…、U1_(2P-1)M/P为实际端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum；

将总在线监测值C_sum与报警值a相比较，如果总在线监测值C_sum大于报警值a，则确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在定子励磁绕组故障。

示例性地，报警值a落入[0.1,0.2]的范围内。

示例性地，方法还包括：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数建立多相无刷励磁机或样本励磁机的仿真模型；

基于仿真模型进行旋转整流器二极管开路故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有旋转整流器二极管开路故障时磁极探测线圈的理论端口电压；

计算理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算报警值a：

其中，U2_M/P、U2_3M/P、…、U2_(2P-1)M/P为理论端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U2_2M/P、U2_4M/P、…、U2_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K为预设裕度系数。

示例性地，至少一组磁极包括P组磁极，方法还包括：在确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障的情况下，确定定子励磁绕组故障发生在与最大的在线监测值C相对应的一组磁极中。

示例性地，根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum包括：从至少一个在线监测值C中选择任一在线监测值C作为总在线监测值C_sum；或者，从至少一个在线监测值C中选择最大在线监测值C作为总在线监测值C_sum；或者，对至少一个在线监测值C求平均，以获得总在线监测值C_sum。

示例性地，计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值包括：结合总体最小二乘旋转不变子空间算法和模拟退火算法来计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

示例性地，两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数为多相无刷励磁机的励磁绕组每极串联匝数的1/10。

示例性地，对于两个子探测线圈中的每个子探测线圈，该子探测线圈围绕对应磁极的纵轴中的第一线段绕制，该子探测线圈的对应磁极上的励磁绕组围绕对应磁极的纵轴中的第二线段绕制，第一线段与第二线段不重叠。

根据本发明另一方面，提供了一种用于检测多相无刷励磁机的电气故障的系统，包括：磁极探测线圈，包括两个子探测线圈，两个子探测线圈用于在多相无刷励磁机的一组磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的磁极探测线圈，其中，一组磁极包括相距P极的两个磁极，P为多相无刷励磁机的极对数，磁极探测线圈的端口保持开路状态；

电压检测装置，与磁极探测线圈的端口连接，用于检测磁极探测线圈的实际端口电压；

处理装置，与电压检测装置连接，用于：

获取通过磁极探测线圈和电压检测装置检测获得的、与多相无刷励磁机的至少一组磁极一一对应的至少一个实际端口电压；

计算至少一个实际端口电压中的每个实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算与至少一组磁极中的每组磁极相对应的在线监测值C：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_M/P、Ｕ1_3M/P、…、Ｕ1_(2P-1)M/P为实际端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum；

将总在线监测值C_sum与报警值a相比较，如果总在线监测值C_sum大于报警值a，则确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在定子励磁绕组故障。

根据本发明另一方面，提供了一种存储介质，在存储介质上存储了程序指令，程序指令在运行时用于执行以下步骤：

获取与多相无刷励磁机的至少一组磁极一一对应的至少一个实际端口电压，其中，实际端口电压为磁极探测线圈的端口电压，磁极探测线圈包括两个子探测线圈，两个子探测线圈用于在多相无刷励磁机的一组磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的磁极探测线圈，其中，一组磁极包括相距P极的两个磁极，P为多相无刷励磁机的极对数，磁极探测线圈的端口保持开路状态；

计算至少一个实际端口电压中的每个实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算与至少一组磁极中的每组磁极相对应的在线监测值C：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_M/P、U1_3M/P、…、U1_(2P-1)M/P为实际端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum；

将总在线监测值C_sum与报警值a相比较，如果总在线监测值C_sum大于报警值a，则确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在定子励磁绕组故障。

根据本发明实施例的用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法和系统及存储介质，可以有效提高对多相环形绕组无刷励磁系统故障监测的灵敏度和可靠性，在故障监测方面具有较大的应用前景。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1示出现有多相无刷励磁机的部分结构的示意图；

图2示出布置有q轴探测线圈的多相无刷励磁机的部分结构的示意性立体图；

图3示出布置有q轴探测线圈的多相无刷励磁机的部分结构的示意性主视图；

图4示出根据本发明实施例的用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法的示意性流程图；

图5示出根据本发明一个实施例的在多相无刷励磁机的磁极上绕制子探测线圈的示意性立体图；

图6示出根据本发明一个实施例的在多相无刷励磁机的磁极上绕制子探测线圈的示意性主视图；

图7示出根据本发明一个实施例的(在5对极多相无刷励磁机中)子探测线圈的布置方式的示意图；

图8示出U_fd＝10V，R＝2Ω，n＝960r/min的正常工况下磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图9示出U_fd＝10V，R＝2Ω，n＝960r/min工况下发生定子励磁绕组50％匝间短路故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图10示出U_fd＝10V，R＝10Ω，n＝960r/min的正常工况下磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图11示出U_fd＝10V，R＝10Ω，n＝960r/min工况下发生转子电枢相绕组70％匝间短路故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图12示出U_fd＝10V，R＝10Ω，n＝960r/min工况下发生单个二极管开路故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图13示出U_fd＝10V，R＝10Ω，n＝960r/min工况下发生转子电枢绕组单相断线故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图14-18示出U_fd＝10V，R＝10Ω，n＝960r/min工况下定子励磁绕组第1极下短路27匝线圈(总短路匝比3％)时5组磁极探测线圈的端口电压的仿真结果；以及

图19示出根据本发明一个实施例的用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的系统的示意性框图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供一种用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法和系统。该用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组匝间短路故障的方法涉及一种新型的磁极探测线圈。

目前，部分多相无刷励磁机在定子磁极之间安装了特制的q轴(即交轴)探测线圈，通过q轴磁场感应的电动势估测主发电机励磁电流，解决旋转整流器输出电流(即提供给主发电机的励磁电流)无法直接测量的问题。图2示出布置有q轴探测线圈的多相无刷励磁机的部分结构的示意性立体图。图3示出布置有q轴探测线圈的多相无刷励磁机的部分结构的示意性主视图。

本发明提出的磁极探测线圈完全不同于传统的q轴探测线圈。首先，q轴探测线圈等效节距非常小；而磁极探测线圈中的每个子探测线圈是绕制在磁极上、节距接近于整距的线圈。其次，q轴探测线圈的长度比励磁机轴向长度短得多；而磁极探测线圈中的每个子探测线圈的长度略大于励磁机轴向长度。此外，从功能上看，现有q轴探测线圈是用来估测主发电机励磁电流的，而磁极探测线圈主要用于反映多相无刷励磁机定转子之间气隙磁场的变化情况进而反映电气故障是否存在。具体地，磁极探测线圈的端口电压的变化可以反映多相无刷励磁机定转子之间气隙磁场的变化，并且多相无刷励磁机定转子之间气隙磁场的变化情况可以用于判断电气故障是否存在，因此，利用本发明提出的新型磁极探测线圈，通过监测其端口电压，可以检测多相环形绕组无刷励磁系统的定子励磁绕组故障。

图4示出根据本发明实施例的用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法400的示意性流程图。如图4所示，用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法400包括步骤S410、S420、S430、S440、S450和S460。

在步骤S410，对于多相无刷励磁机的至少一组磁极中的每组磁极，在该组磁极的每个磁极上分别绕制子探测线圈，其中，至少一组磁极中的每组磁极包括相距P极的两个磁极，P为多相无刷励磁机的极对数。

在步骤S420，对于多相无刷励磁机的至少一组磁极中的每组磁极，将在该组磁极上所绕制的两个子探测线圈反向串联，以获得与该组磁极相对应的磁极探测线圈，其中，磁极探测线圈的端口保持开路状态。

为了提高多相环形绕组无刷励磁系统运行的安全可靠性，实现对多相无刷励磁系统可能发生的定子励磁绕组故障进行在线监测，本发明提出一种安装在多相无刷励磁机静止磁极上的探测线圈。针对在多相无刷励磁机的电机圆周上均匀分布(即相距P极)的两个磁极，在其中的每个磁极上分别绕制子探测线圈。绕制子探测线圈的两个磁极可以任意选取，只需满足相距P极的条件即可。

图5示出根据本发明一个实施例的在多相无刷励磁机的磁极上绕制子探测线圈的示意性立体图，图6示出根据本发明一个实施例的在多相无刷励磁机的磁极上绕制子探测线圈的示意性主视图。图5和图6示出的是1匝的子探测线圈，其中图5示出的线圈首、末两端分别标记为1和1'。图5和图6仅是示例而非对本发明的限制，子探测线圈可以具有任意合适的匝数。

如图5和6所示，子探测线圈的绕制方法与每极励磁绕组的绕制方法类似，本文不做赘述。所绕制的每个子探测线圈的节距接近于整距，即每个子探测线圈的节距与整距之间的差距小于预定节距阈值。该预定节距阈值可以是任意的，其可以根据需要设定，例如设定为0.2倍节距。此外，所绕制的每个子探测线圈的长度略大于励磁机轴向长度，即每个子探测线圈的长度与励磁机轴向长度之间的差距小于预定长度阈值。该预定长度阈值可以是任意的，其可以根据需要设定，例如设定为0.5厘米。

示例性地，对于两个子探测线圈中的每个子探测线圈，该子探测线圈围绕对应磁极的纵轴中的第一线段绕制，该子探测线圈的对应磁极上的励磁绕组围绕对应磁极的纵轴中的第二线段绕制，第一线段与第二线段不重叠。继续参见图5和6，示出了第一线段和第二线段，其中，第一线段采用较粗线条表示，第二线段采用较细线条表示。由图5和6可见，子探测线圈与对应磁极上的励磁绕组同轴布置，即二者均围绕对应磁极的纵轴(d轴)布置。此外，子探测线圈位于对应磁极上的除励磁绕组所在空间以外的剩余空间内，二者的分布空间不重叠。

两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数可以根据需要任意设定。在一个示例中，两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数可为多相无刷励磁机的励磁绕组每极串联匝数的1/10。在励磁绕组每极串联匝数的1/10不是整数的情况下，对励磁绕组每极串联匝数的1/10取整，例如采用四舍五入的方式取整，所获得的整数作为两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数。子探测线圈的匝数太少，磁极探测线圈的端口电压会比较小，不利于电压分析和电气故障检测。子探测线圈的匝数太多，磁极探测线圈的端口电压过大，可能会对励磁绕组绝缘产生不良影响，同时线圈的制造成本及其安装成本均会大幅上升。每个子探测线圈的匝数为励磁绕组每极串联匝数的1/10，这是综合故障检测精度以及设备成本之后所选取的比较合适的线圈匝数。

将所绕制的两个子探测线圈反向串联，即可获得磁极探测线圈。布置好的磁极探测线圈的端口始终保持开路状态，其内部始终没有电流，并且磁极探测线圈与励磁机励磁绕组等部件都保持绝缘，从而可以避免磁极探测线圈对励磁机运行的干扰。

图7示出根据本发明一个实施例的子探测线圈的布置方式的示意图。图7示出了极对数为5的多相无刷励磁机的10个磁极。如图7所示，在第1极与第6极分别绕制了子探测线圈11'和66'，再将这两个子探测线圈反向串联，进而获得磁极探测线圈。

在一个实施例中，磁极探测线圈的数目为一个，这一磁极探测线圈可以依次绕制在至少一组磁极上，并在其绕制在每组磁极上时分别检测对应的实际端口电压。在另一个实施例中，磁极探测线圈的数目为至少一个，所述至少一个磁极探测线圈与至少一组磁极一一对应，每个磁极探测线圈绕制在对应组磁极上，这样可以同时检测至少一组磁极所对应的至少一个实际端口电压。至少一组磁极的组数目可以是一个或多个，至少一组磁极的组数目是一个的情况下，可以仅针对这一组磁极绕制一个磁极探测线圈，并可以将后续计算获得的在线监测值C直接作为总在线监测值C_sum。

在步骤S430，对于多相无刷励磁机的至少一组磁极中的每组磁极，检测磁极探测线圈的实际端口电压。可以采用任何现有的或将来可能实现的电压检测方法检测实际端口电压。

在步骤S440，对于多相无刷励磁机的至少一组磁极中的每组磁极，计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

可以采用任何现有的或将来可能实现的谐波分析方法计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值，例如，可以采用傅里叶分解(FFT)方法或者采用总体最小二乘旋转不变子空间算法(TLS-ESPRIT)结合模拟退火算法(SAA)来计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

示例性地，计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值可以包括：结合总体最小二乘旋转不变子空间算法和模拟退火算法来计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

提取周期性信号中特定频率分量的传统方法是FFT。众所周知，利用FFT方法分析信号频谱时，只有满足整周期同步采样(即采样频率f_s应为信号频率f的整数倍，且采样频率f_s应大于信号中最高次谐波分量频率的2倍，采样持续时间也应是信号周期的整数倍)，才能得到准确的结果。否则(即非同步采样)，利用FFT方法会造成频谱泄漏和栅栏效应等，得到的频谱误差较大。

实际应用中，多采用固定采样频率采集电压。然而，在磁极探测线圈端口电压中谐波分量的频率可能随电机转速波动而变化的情况下，很难对磁极探测线圈的电压信号实现同步采样。而且实际信号的周期变化也给采样点数(即数据长度)的选取带来困难，可能无法实现整周期采样。在这些情况下，用FFT方法提取磁极探测线圈端口电压的故障特征谐波会出现较大误差。本发明实施例提供一种能够准确提取磁极探测线圈端口电压中故障特征谐波的方法。应用总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法，能够有效克服FFT方法处理周期性信号的局限性，只需较少的采样点，且不必整周期同步采样，就能够准确计算采样信号中主要分量的频率和幅值。

在步骤S450，对于多相无刷励磁机的至少一组磁极中的每组磁极，根据以下公式计算与该组磁极相对应的在线监测值C：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_M/P、U1_3M/P、…、U1_(2P-1)M/P为实际端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值。

在步骤S460，根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum。

在步骤S470，将总在线监测值C_sum与报警值a相比较，如果总在线监测值C_sum大于报警值a，则确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在定子励磁绕组故障。

可以将理论端口电压的谐波分量的有效值代入设定好的故障监测判据中，得到在线监测值C，并获得总在线监测值C_sum。当总在线监测值C_sum>报警值a时，判断多相无刷励磁机发生了定子励磁绕组故障。本发明提出的定子励磁绕组故障监测判据为磁极探测线圈的端口电压中的M/P次、3M/P次…等M/P的奇数倍谐波分量的总有效值与2M/P次、4M/P次…等2M/P的倍数次谐波分量的总有效值之比C。

如果在多相无刷励磁机内安装磁极探测线圈，从理论上来说，在多相无刷励磁机正常运行时(比如正常额定工况)，气隙磁场在磁极探测线圈中产生包含预定谐波分量的端口电压；而当发生电气故障时，气隙磁场的分布情况发生变化，在磁极探测线圈中感应出其他频率的感应电动势。因此，可以根据正常及各种电气故障情况下磁极探测线圈端口电压的特征谐波，实现对不同电气故障的检测及区分。应用本发明设计的磁极探测线圈，可以实现对多相无刷励磁机有效的保护和监测。

理论分析表明，对于单个子探测线圈(本文描述的子探测线圈是绕制在单个磁极上的线圈)来说，该子探测线圈不与其他子探测线圈串联的话，在正常运行工况下，该子探测线圈的端口电压中只含有M/P次、2M/P次…这些M/P的倍数次谐波(P为极对数，M为相数)。而将相距P极的两个子探测线圈反向串联，就只有1/P次、3/P次等1/P的奇数倍谐波(包括基波)磁场会在这两个串联线圈中产生交变磁链及感应电动势，而某些频率的电压在子探测线圈串联后被抵消掉了。所以，相距P极的反向串联的两个子探测线圈所组成的磁极探测线圈，其端口电压在正常工况下只含有2M/P次、4M/P次等2M/P的倍数次谐波；在定子励磁绕组匝间短路故障下含有M/P次、2M/P次等M/P的倍数次谐波；在转子电枢绕组内部短路故障下含有2/P次、4/P次等2/P的倍数次谐波；在旋转整流器二极管开路故障下含有1/P次、2/P次等所有分数次谐波，其中奇数次谐波分量是由电枢绕组偶数次谐波电流引起的；在电枢断线故障下含有2/P次、4/P次等2/P的倍数次谐波。上述特征规律也已通过实验与仿真的验证。

一旦定子励磁绕组发生匝间短路故障，磁极探测线圈的端口电压中会出现M/P、3M/P…等M/P的奇数倍谐波，这个故障特征较为独特，容易与其他种类的故障进行区分。因此，可以通过磁极探测线圈的端口电压中出现M/P、3M/P…等M/P的奇数倍谐波，并且不出现1/P次、2/P次…等其他分数次谐波为故障判据，对多相无刷励磁机进行定子励磁绕组故障在线监测，并与其他故障进行区分。表1示出多相无刷励磁机正常运行及各种故障工况下，磁极探测线圈端口电压的谐波特征。

表1.多相无刷励磁机正常运行及各种故障工况下，磁极探测线圈端口电压的谐波特征

可见，根据正常及各种故障情况下磁极探测线圈的端口电压谐波特征，可实现对定子励磁绕组匝间短路故障的唯一鉴别。对一台5对极11相无刷励磁机样机系统(P＝5，M＝11)进行正常及四种故障工况的理论分析，以及实验与仿真计算，可以表明本发明提出的基于磁极探测线圈的定子励磁绕组故障在线监测方法的可行性。

理论上，在多相无刷励磁系统正常运行时，磁极探测线圈的端口电压中只会含有22/5次、44/5次…等22/5的倍数次谐波，但是由于电机制造工艺的误差，以及安装和测量产生的误差，在实际测得的磁极探测线圈端口电压中还会出现幅值较小的1/5次、2/5次…等其他分数次谐波。因此，多相无刷励磁系统正常运行时，监测得到的C值也不为零，考虑到这些由电机制造等因素引起的误差，可以设置合理的报警值，以尽量避免对正常或其它情况(转子等故障)误报警。

5对极11相无刷励磁机模拟样机系统的基本参数如表2所示，在励磁机样机的第1极和第6极下(相距P＝5个极)各安装一个10匝的子探测线圈，并将两个子探测线圈反向串联后引出两个接线端用于测量磁极探测线圈的端口电压。

表2. 5对极11相无刷励磁机模拟样机基本参数

图8所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝2Ω，转速n＝960r/min的正常工况下，磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图8所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表3所示。在表3中，各次谐波电压的标幺值，都是以该负载的正常工况下磁极探测线圈的端口电压总有效值为基值而得到的。从表3中可以看出其端口电压主要是22/5次谐波，其他次数谐波幅值较小，可以认为是由制造、安装等误差引起。

表3.正常工况实验中磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

图9所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝2Ω，转速n＝960r/min工况下发生定子励磁绕组匝间短路50％故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图9所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表4所示。表4中各次谐波电压的基值取值与表3相同、都是该负载的正常工况下磁极探测线圈的端口电压总有效值。从表4中可以看出其端口电压主要包含11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波，尤其是11/5次谐波比正常工况增大了数十倍，而1/5次、2/5次等其他分数次谐波有效值与正常工况相比变化不大。

表4.定子励磁绕组短路50％故障实验中磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

图10所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝10Ω，转速n＝960r/min的正常工况下磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图10所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表5所示。以该负载的正常工况下磁极探测线圈端口电压总有效值作为基值对故障工况下的数据进行标幺化，可以方便观察故障下各谐波分量的变化情况。

表5.R＝10Ω正常工况下磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

图11所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝10Ω，转速n＝960r/min工况下发生转子电枢相绕组70％匝间短路故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图11所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表6所示。表6中各次谐波电压的基值取值与表5相同、都是该负载的正常工况下磁极探测线圈的端口电压总有效值。从表6中可以看出2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波比正常工况增大至少10倍，11/5次谐波幅值变化不大，也验证了电枢绕组故障时磁极探测线圈端口电压中会出现2/5的倍数次谐波。

表6.电枢相绕组70％匝间短路故障下磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

图12所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载R＝10Ω，转速n＝960r/min工况下发生单个二极管开路故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图12所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表7所示。表7中各次谐波电压的基值取值与表5相同、都是该负载的正常工况下磁极探测线圈的端口电压总有效值。从表7中可以看出14/5次和19/5次谐波幅值与正常工况相比变化较大，11/5次、22/5次谐波与正常工况相比都没有明显变化，验证了理论推导中二极管故障时探测线圈端口电压中会出现1/5次、2/5次等所有分数次谐波。

表7.二极管D_j开路故障下磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

图13所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝10Ω，转速n＝960r/min工况下发生转子电枢绕组单相断线故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图13所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表8所示。表8中各次谐波电压的基值取值与表5相同、都是该负载的正常工况下磁极探测线圈的端口电压总有效值。从表8中可以看出其端口电压中8/5次、14/5次等谐波比正常工况时增大了数十倍，而11/5次谐波、22/5次谐波幅值变化不大，验证了发生电枢断线故障时磁极探测线圈端口电压中包含2/5次、4/5次等1/5的偶数倍谐波。

表8.电枢绕组单相断线故障下磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

通过实验数据可知，在多相无刷励磁机正常运行时，由于制造、安装等误差，磁极探测线圈端口电压中会出现较小幅值的1/5次、2/5次…等所有的分数次谐波，但是其中幅值较大的是22/5的倍数次谐波。当发生定子励磁绕组匝间短路故障时，磁极探测线圈端口电压中11/5次、33/5次…等11/5的奇数倍谐波幅值增大，其他分数次谐波与正常相比变化不大。当发生电枢绕组内部短路故障、旋转整流器二极管开路故障、电枢断线故障时，磁极探测线圈端口电压中11/5次、33/5次…等11/5的奇数倍谐波变化并不明显，相反，除11/5的倍数次谐波以外的其他分数次谐波变化较大。

通过本发明提出的定子励磁绕组故障监测判据C，可以对定子励磁绕组故障进行有效鉴别。此外，通过设置合适的报警值a，可以避免对其他类型故障误报警，下面通过示例说明。针对5对极11相无刷励磁机样机系统计算其在正常工况及四种故障工况下的监测判据C值，结果如表9所示。

表9.根据各种工况实验数据得到的监测判据C值结果

从表9中可以看出，由于励磁机的制造、安装误差等因素，在多相无刷励磁机正常运行时也会有较小的监测判据C值，并且除定子励磁绕组故障以外的其他三种故障工况下多相无刷励磁机也会有一定的监测判据C值。为避免对正常工况以及其他故障的误报警，可以设置合理的报警值a。下面描述报警值a的两种示例性设置方式。

在一个示例中，报警值a落入[0.1,0.2]的范围内。可以在[0.1,0.2]的范围内任意选取一个值作为报警值a。通常除定子励磁绕组故障以外，电枢绕组短路故障下的监测判据C值是最大的，如表9所示。电枢绕组短路故障下的监测判据C值可能在如表9所示的0.081附近。因此，可以将报警值a设置为略大于0.081，如[0.1,0.2]中的任意一个值，这样，可以比较好地避免对除定子励磁绕组故障以外故障的误报警。例如，针对如表9所示的示例，可以将报警值a取为电枢绕组短路故障时监测判据C值的1.5倍，即a＝0.081×1.5≈0.12。

在另一个示例中，方法400还可以包括：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数建立多相无刷励磁机或样本励磁机的仿真模型；

基于仿真模型进行旋转整流器单个二极管开路故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机旋转整流器二极管开路故障时磁极探测线圈的理论端口电压；

计算理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算报警值a：

其中，U2_M/P、U2_3M/P、…、U2_(2P-1)M/P为理论端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U2_2M/P、U2_4M/P、…、U2_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K为预设裕度系数。

示例性地，所述励磁机的形状信息是指励磁机横截面的实际形状，所述励磁机的尺寸参数包括轴向长度、内径、外径、气隙长度、极数、极弧系数等中的一项或多项，所述材料参数包括磁导率、磁化曲线(B-H曲线)、电导率等中的一项或多项，所述励磁绕组的参数包括励磁绕组的每极串联匝数和/或励磁绕组的电阻，所述电枢绕组的参数包括电枢绕组的槽型、尺寸、串联匝数和电阻中的一项或多项，所述联接方式包括联接表，所述磁极探测线圈的参数包括所述磁极探测线圈的节距和/或串联匝数，所述整流器的参数包括整流器的二极管的电阻。

可选地，对样本励磁机的仿真可以一次执行，所获得的报警值a可以用在任意与样本励磁机同类型的多相无刷励磁机的实际故障监测中。当然，可选地，可以针对当前实际进行故障监测的多相无刷励磁机重新建立仿真模型。仿真模型的建立可以采用任何合适的现有或将来可能出现的多相无刷励磁机仿真技术实现，本发明不对此进行限制。

示例性地，预设裕度系数K可以是任何合适的数值，其可以预先通过理论或实验确定，即通过理论或实验确定在旋转整流器二极管开路故障下的监测判据C值乘以多少倍获得的报警值a可以较好地将定子励磁绕组故障与正常工况及其他三种故障区分开。

通过仿真方式获得的报警值a可靠性比较高，有利于比较准确地将定子励磁绕组匝间短路故障与正常工况及其他三种故障区分开，从而有利于提高定子励磁绕组故障监测的灵敏度和可靠性。

一般来说，很难在每个磁极下都安装探测线圈。在仅安装一组(相距P极的两个)子探测线圈的情况下，定子励磁绕组匝间短路故障的发生位置也可以影响监测的灵敏性。下面以单个磁极下的小匝数匝间短路故障来说明本发明的监测灵敏度。

在U_fd＝10V，R＝10Ω，n＝960r/min工况下，进行定子励磁绕组第1极短路仿真，短路匝数为总匝数的10％。分别对5种不同布置位置的磁极探测线圈的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到各种布置位置下磁极探测线圈所对应的监测判据C值，结果如表10所示。

表10.定子第1极绕组全部短路(即励磁绕组10％匝间短路)故障中不同磁极下的磁极探测线圈所对应的监测判据C值的仿真结果

从表10中可以看出，在故障所在极——第1极下的子探测线圈和第6极下的子探测线圈反向串联组成的磁极探测线圈(det_1-6)计算出的监测判据C值为0.970，是最大的，而在第3极下的子探测线圈和第8极下的子探测线圈反向串联组成的磁极探测线圈(det_3-8)计算出的监测判据C值为0.128，是最小的。

在另一示例中，还进行了更小匝数的定子励磁绕组匝间短路故障的相关仿真。图14-18是U_fd＝10V，R＝10Ω，n＝960r/min工况下定子励磁绕组第1极下短路27匝线圈时磁极探测线圈的端口电压的仿真结果，短路匝数为总匝数的3％。同样对5种不同布置位置的磁极探测线圈的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到各种布置位置下磁极探测线圈所对应的监测判据C值，结果如表11所示。

表11.定子第1极绕组30％短路(即励磁绕组短路3％)故障中不同磁极下的磁极探测线圈所对应的监测判据C值的仿真结果

从表11中可以看出，定子励磁绕组短路3％的仿真结果同样是在故障所在极下的磁极探测线圈(det_1-6)中反应最大，在相距2个极下的磁极探测线圈(det_3-8)中反应最小。

因此，仿真结果表明，不同布置位置的磁极探测线圈在单个磁极发生定子励磁绕组匝间短路故障时的感应电动势是不同的，其中故障极下的磁极探测线圈端口电压变化最大，与故障极相距P/2个(表11所示示例为两个)极的磁极探测线圈端口电压变化最小。如果将报警值a设定为0.12，则对(与正常工况相比)端口电压变化最小的磁极探测线圈的布置方案来说，仍然具有较高的灵敏性，能够较好地检测出定子励磁绕组故障。

根据本发明实施例，根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum(步骤S460)可以包括：从至少一个在线监测值C中选择任一在线监测值C作为总在线监测值C_sum；或者，从至少一个在线监测值C中选择最大在线监测值C作为总在线监测值C_sum；或者，对至少一个在线监测值C求平均，以获得总在线监测值C_sum。

如上所述，当发生定子励磁绕组匝间短路故障时，发生故障的磁极所对应的在线监测值C较大，其余磁极所对应的在线监测值C虽然较小，但是通常也大于正常工况及其他故障下计算获得的在线监测值C，因此，在任意一组磁极上绕制磁极探测线圈，其所对应的在线监测值C均有可能较好地识别定子励磁绕组匝间短路故障。因此，可以综合与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C，来计算总在线监测值C_sum。

在一个示例中，可以从至少一个在线监测值C中选择任一在线监测值C作为总在线监测值C_sum，选择方式可以是随机选择或者基于用户指令选择等。如果仅检测一组磁极，对应仅获得一个在线监测值C，则可以直接将其作为总在线监测值C_sum。在另一个示例中，从至少一个在线监测值C中选择最大在线监测值C作为总在线监测值C_sum。在又一个示例中，对至少一个在线监测值C求平均，以获得总在线监测值C_sum。

根据本发明实施例，至少一组磁极包括P组磁极，方法还包括：在确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障的情况下，确定定子励磁绕组故障发生在与最大的在线监测值C相对应的一组磁极中。

继续参考表10和11所示示例，可知发生定子励磁绕组匝间短路故障的磁极所对应的在线监测值C与其他磁极所对应的在线监测值C相差比较悬殊，因此，如果多相无刷励磁机存在定子励磁绕组匝间短路故障的话，基本可以确定该故障发生在与最大的在线监测值C相对应的一组磁极中。因此，通过对多相无刷励磁机的P组磁极(即所有磁极)进行磁极探测线圈端口电压检测以及在线监测值C计算，可以实现对发生定子励磁绕组匝间短路故障的磁极的定位。

通过上述样机的实验、仿真验证，说明可以采用磁极探测线圈的端口电压中M/P次、3M/P次…等M/P的奇数倍谐波的总有效值与2M/P的倍数次谐波的总有效值之比，来对定子励磁绕组故障进行在线监测。

根据本发明实施例，方法400还可以包括：在确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障的情况下，输出报警信息。

报警信息可以是任何能够指示多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障的信息。在一个示例中，报警信息是数据，可以通过有线或无线网络将报警信息输出至远程服务器(例如远程电机管理系统)或其他设备(个人计算机或移动终端等)。在另一个示例中，报警信息可以是声音信号、图像信号、光信号等。例如，可以通过显示器、扬声器、蜂鸣器、闪光灯等装置中的一种或多种输出报警信息。通过输出报警信息，可以通知工作人员发生定子励磁绕组故障，以提示工作人员对多相无刷励磁机进行检修。

与现有的基于定子励磁电流的故障监测方法相比，本发明提供的基于磁极探测线圈的定子励磁绕组故障监测方法能提高对多相环形绕组无刷励磁系统故障监测的灵敏度和可靠性，在故障监测方面具有较大的应用前景。

根据本发明实施例，方法400还可以包括：在确定多相无刷励磁机存在电气故障的情况下，输出报警信息。

报警信息可以是任何能够指示多相无刷励磁机存在电气故障的信息。在一个示例中，报警信息是数据，可以通过有线或无线网络将报警信息输出至远程服务器(例如远程电机管理系统)或其他设备(个人计算机或移动终端等)。在另一个示例中，报警信息可以是声音信号、图像信号、光信号等。例如，可以通过显示器、扬声器、蜂鸣器、闪光灯等装置中的一种或多种输出报警信息。通过输出报警信息，可以通知工作人员发生电气故障，以提示工作人员对多相无刷励磁机进行检修。

根据本发明另一方面，提供一种用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的系统。图19示出根据本发明一个实施例的用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的系统1900的示意性框图。如图19所示，系统1900包括磁极探测线圈1902、电压检测装置1904和处理装置1906。

磁极探测线圈1902包括两个子探测线圈，两个子探测线圈用于在多相无刷励磁机的一组磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的磁极探测线圈，其中，一组磁极包括相距P极的两个磁极，P为多相无刷励磁机的极对数，磁极探测线圈的端口保持开路状态。

磁极探测线圈1902可以利用上文描述的布置方式布置于多相无刷励磁机的磁极上，并且可以将磁极探测线圈1902的线圈首、末端引出以供检测。

电压检测装置1904与所述磁极探测线圈1902的端口连接，用于检测所述磁极探测线圈1902的实际端口电压。

电压检测装置1904可以是任何能够检测电压的装置，包括但不限于数字示波器等。

处理装置1906与所述电压检测装置1904连接，用于：

获取通过磁极探测线圈和电压检测装置检测获得的、与多相无刷励磁机的至少一组磁极一一对应的至少一个实际端口电压；

计算至少一个实际端口电压中的每个实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算与至少一组磁极中的每组磁极相对应的在线监测值C：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_M/P、U1_3M/P、…、U1_(2P-1)M/P为实际端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum；

将总在线监测值C_sum与报警值a相比较，如果总在线监测值C_sum大于报警值a，则确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在定子励磁绕组故障。

处理装置1906可以是中央处理单元(CPU)、微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(FPGA)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制所述系统1900中的其它组件以执行期望的功能。处理装置1906与电压检测装置1904之间的连接可以是直接或间接连接。例如，处理装置1906可以通过数据传输线与电压检测装置1904连接，也可以通过无线方式(即网络)与电压检测装置1904连接。

上文已经结合图4-18描述了用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法400的实施方式，本领域技术人员可以根据上文描述理解用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的系统1900中的磁极探测线圈1902、电压检测装置1904和处理装置1906的结构和工作原理，此处不再赘述。

根据本发明实施例，报警值a落入[0.1,0.2]的范围内。

根据本发明实施例，处理装置1906还用于：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数建立多相无刷励磁机或样本励磁机的仿真模型；

基于仿真模型进行旋转整流器单个二极管开路故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有旋转整流器二极管开路故障时磁极探测线圈的理论端口电压；

计算理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算报警值a：

其中，U2_M/P、U2_3M/P、…、U2_(2P-1)M/P为理论端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U2_2M/P、U2_4M/P、…、U2_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K为预设裕度系数。

根据本发明实施例，至少一组磁极包括P组磁极，处理装置1906还用于在确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障的情况下，确定定子励磁绕组故障发生在与最大的在线监测值C相对应的一组磁极中。

根据本发明实施例，处理装置1906通过以下方式根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum：从至少一个在线监测值C中选择任一在线监测值C作为总在线监测值C_sum；或者，从至少一个在线监测值C中选择最大在线监测值C作为总在线监测值C_sum；或者，对至少一个在线监测值C求平均，以获得总在线监测值C_sum。

根据本发明实施例，处理装置1906通过以下方式计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值：结合总体最小二乘旋转不变子空间算法和模拟退火算法来计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

根据本发明实施例，两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数为多相无刷励磁机的励磁绕组每极串联匝数的1/10。

根据本发明实施例，对于两个子探测线圈中的每个子探测线圈，该子探测线圈围绕对应磁极的纵轴中的第一线段绕制，该子探测线圈的对应磁极上的励磁绕组围绕对应磁极的纵轴中的第二线段绕制，第一线段与第二线段不重叠。

根据本发明实施例，系统1900还可以包括：输出装置(未示出)，用于在确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障的情况下，输出报警信息。

输出装置可以向外部(例如用户)输出各种信息(例如图像和/或声音)。输出装置可以包括有线或无线网络接口、显示器、扬声器、蜂鸣器、闪光灯等中的一个或多个。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

此外，根据本发明实施例，还提供了一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令。所述存储介质例如可以包括智能电话的存储卡、平板电脑的存储部件、个人计算机的硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、便携式紧致盘只读存储器(CD-ROM)、USB存储器、或者上述存储介质的任意组合。

在一个实施例中，程序指令在运行时用于执行以下步骤：

获取与多相无刷励磁机的至少一组磁极一一对应的至少一个实际端口电压，其中，实际端口电压为磁极探测线圈的端口电压，磁极探测线圈包括两个子探测线圈，两个子探测线圈用于在多相无刷励磁机的一组磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的磁极探测线圈，其中，一组磁极包括相距P极的两个磁极，P为多相无刷励磁机的极对数，磁极探测线圈的端口保持开路状态；

计算至少一个实际端口电压中的每个实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算与至少一组磁极中的每组磁极相对应的在线监测值C：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_M/P、U1_3M/P、…、U1_(2P-1)M/P为实际端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum；

将总在线监测值C_sum与报警值a相比较，如果总在线监测值C_sum大于报警值a，则确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在定子励磁绕组故障。

报警值a落入[0.1,0.2]的范围内。

在一个实施例中，程序指令在运行时还用于执行以下步骤：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数建立多相无刷励磁机或样本励磁机的仿真模型；

基于仿真模型进行旋转整流器单个二极管开路故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有旋转整流器二极管开路故障时磁极探测线圈的理论端口电压；

计算理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算报警值a：

其中，U2_M/P、U2_3M/P、…、U2_(2P-1)M/P为理论端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U2_2M/P、U2_4M/P、…、U2_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K为预设裕度系数。

在一个实施例中，至少一组磁极包括P组磁极，程序指令在运行时还用于执行以下步骤：在确定多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障的情况下，确定定子励磁绕组故障发生在与最大的在线监测值C相对应的一组磁极中。

在一个实施例中，程序指令在运行时所用于执行的根据与至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum的步骤包括：从至少一个在线监测值C中选择任一在线监测值C作为总在线监测值C_sum；或者，从至少一个在线监测值C中选择最大在线监测值C作为总在线监测值C_sum；或者，对至少一个在线监测值C求平均，以获得总在线监测值C_sum。

在一个实施例中，程序指令在运行时所用于执行的计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值的步骤包括：结合总体最小二乘旋转不变子空间算法和模拟退火算法来计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

在一个实施例中，程序指令在运行时还用于执行以下步骤：在确定多相无刷励磁机存在定在绕组故障的情况下，输出报警信息。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的系统中的一些模块的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于检测多相无刷励磁机的定子励磁绕组故障的方法，包括：

对于所述多相无刷励磁机的至少一组磁极中的每组磁极，

在该组磁极的每个磁极上分别绕制子探测线圈，其中，所述至少一组磁极中的每组磁极包括相距P极的两个磁极，P为所述多相无刷励磁机的极对数；

将在该组磁极上所绕制的两个子探测线圈反向串联，以获得与该组磁极相对应的磁极探测线圈，其中，所述磁极探测线圈的端口保持开路状态；

检测所述磁极探测线圈的实际端口电压；

计算所述实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算与该组磁极相对应的在线监测值C：

其中，M为所述多相无刷励磁机的相数，U1_M/P、U1_3M/P、…、U1_(2P-1)M/P为所述实际端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为所述实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

根据与所述至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum；

将所述总在线监测值C_sum与报警值a相比较，如果所述总在线监测值C_sum大于所述报警值a，则确定所述多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障，否则，确定所述多相无刷励磁机不存在定子励磁绕组故障。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述报警值a落入[0.1,0.2]的范围内。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：

获取所述多相无刷励磁机或与所述多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，所述设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、所述磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于所述设备参数建立所述多相无刷励磁机或所述样本励磁机的仿真模型；

基于所述仿真模型进行旋转整流器单个二极管开路故障仿真，以获得在所述多相无刷励磁机或所述样本励磁机具有旋转整流器二极管开路故障时所述磁极探测线圈的理论端口电压；

计算所述理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算所述报警值a：

其中，U2_M/P、U2_3M/P、…、U2_(2P-1)M/P为所述理论端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U2_2M/P、U2_4M/P、…、U2_2M为所述理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K为预设裕度系数。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其中，所述至少一组磁极包括P组磁极，所述方法还包括：

在确定所述多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障的情况下，确定定子励磁绕组故障发生在与最大的在线监测值C相对应的一组磁极中。

5.如权利要求1至3任一项所述的方法，其中，所述根据与所述至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum包括：

从所述至少一个在线监测值C中选择任一在线监测值C作为所述总在线监测值C_sum；或者，

从所述至少一个在线监测值C中选择最大在线监测值C作为所述总在线监测值C_sum；或者，

对所述至少一个在线监测值C求平均，以获得所述总在线监测值C_sum。

6.如权利要求1至3任一项所述的方法，其中，所述计算所述实际端口电压的各次谐波分量的有效值包括：

结合总体最小二乘旋转不变子空间算法和模拟退火算法来计算所述实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

7.如权利要求1至3任一项所述的方法，其中，所述两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数为所述多相无刷励磁机的励磁绕组每极串联匝数的1/10。

8.如权利要求1至3任一项所述的方法，其中，对于所述两个子探测线圈中的每个子探测线圈，该子探测线圈围绕对应磁极的纵轴中的第一线段绕制，该子探测线圈的对应磁极上的励磁绕组围绕对应磁极的纵轴中的第二线段绕制，所述第一线段与所述第二线段不重叠。

9.一种用于检测多相无刷励磁机的电气故障的系统，包括：

磁极探测线圈，包括两个子探测线圈，所述两个子探测线圈用于在所述多相无刷励磁机的一组磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的所述磁极探测线圈，其中，所述一组磁极包括相距P极的两个磁极，P为所述多相无刷励磁机的极对数，所述磁极探测线圈的端口保持开路状态；

电压检测装置，与所述磁极探测线圈的端口连接，用于检测所述磁极探测线圈的实际端口电压；

处理装置，与所述电压检测装置连接，用于：

获取通过所述磁极探测线圈和所述电压检测装置检测获得的、与所述多相无刷励磁机的至少一组磁极一一对应的至少一个实际端口电压；

计算所述至少一个实际端口电压中的每个实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算与所述至少一组磁极中的每组磁极相对应的在线监测值C：

其中，M为所述多相无刷励磁机的相数，U1_M/P、U1_3M/P、…、U1_(2P-1)M/P为所述实际端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为所述实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

根据与所述至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum；

将所述总在线监测值C_sum与报警值a相比较，如果所述总在线监测值C_sum大于所述报警值a，则确定所述多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障，否则，确定所述多相无刷励磁机不存在定子励磁绕组故障。

10.一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令，所述程序指令在运行时用于执行以下步骤：

获取与多相无刷励磁机的至少一组磁极一一对应的至少一个实际端口电压，其中，所述实际端口电压为磁极探测线圈的端口电压，所述磁极探测线圈包括两个子探测线圈，所述两个子探测线圈用于在所述多相无刷励磁机的一组磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的所述磁极探测线圈，其中，所述一组磁极包括相距P极的两个磁极，P为所述多相无刷励磁机的极对数，所述磁极探测线圈的端口保持开路状态；

计算所述至少一个实际端口电压中的每个实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算与所述至少一组磁极中的每组磁极相对应的在线监测值C：

其中，M为所述多相无刷励磁机的相数，U1_M/P、U1_3M/P、…、U1_(2P-1)M/P为所述实际端口电压中的M/P的奇数倍谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为所述实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

根据与所述至少一组磁极一一对应的至少一个在线监测值C计算总在线监测值C_sum；

将所述总在线监测值C_sum与报警值a相比较，如果所述总在线监测值C_sum大于所述报警值a，则确定所述多相无刷励磁机存在定子励磁绕组故障，否则，确定所述多相无刷励磁机不存在定子励磁绕组故障。

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