CN113295999A - 永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开电机故障诊断领域中的永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法，采集其实际运行时位置角和三相电流，根据位置角和三相电流计算出dq坐标系下永磁同步电机实际运行时的电流合成矢量与直轴的夹角，根据一个采集周期中每一相的电流最大值和最小值计算出每相电流不平衡度，根据电流不平衡度的两个经验边界值判断出电机正常、断路故障以及匝间短路故障或是退磁故障，将实际运行时电流合成矢量与直轴的夹角和正常运行时电流合成矢量与直轴的夹角作比较判断出匝间短路故障和退磁故障；本发明实现了多个故障同时辨别的功能。

Description

永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法

技术领域

本发明属于电机故障诊断领域，具体是内嵌式永磁同步电机(IPMSM)的故障诊断，针对IPMSM的不同故障种类，实现对绕组断路、永磁体退磁与绕组匝间短路这三种不同故障作分类诊断。

背景技术

随着永磁材料的性能逐渐提高，成本大幅度降低。永磁同步电机进入了快速发展的时期。不同于传统的同步电机，永磁同步电机是通过内部的永磁体直接产生磁场，这不仅降低了电机内部转子的损耗，而且也提高了能量转换效率。永磁同步电动机具有更高的功率体积比、更高的功率密度和更精确的转矩控制。这样突出的优点，使得永磁电机在各行业都有广泛应用。内嵌式永磁同步电机不同于表贴式永磁同步电机，其永磁体位于转子内部，它的交直流主电感不同，所以调速范围更加广泛，更适用于恶劣的工作环境。然而，永磁同步电机在不同的工作环境下运行时，会导致诸多故障。其中，退磁故障与定子绕组故障是永磁同步电动机最常见的故障。退磁故障通常是由于物理损坏、高温运行、老化或逆磁场造成的。对于定子绕组故障来说，一方面存在匝间短路故障，另一方面存在断路故障。当相邻定子绕组线圈间的绝缘退化时，就会发生匝间短路故障，该故障是由电压应力、热应力和振动引起的。短路引起局部磁场倒转，诱发高循环电流，并产生过热的现象，增加退磁故障的严重程度。绕组断路故障是指电机定子绕组连接焊头或绕组引出线发生断路的现象，焊点接触不良、过大的机械力冲击和电磁力振动、绕组短路故障等都可引起电机绕组断路，当电机绕组断路时，电机三相电流不平衡，产生异常噪声和振动，同时会使永磁体工作点降低，产生失磁故障。这三种故障，在一定情况下相互影响，使得电机的故障分类越发的复杂，所以有必要辨别多种复杂故障状态。

目前，针对永磁同步电机，提出了诸多单独分类与诊断其中一种故障的方案。对于绕组断路故障，有小波变换法、平均电流矢量法、开关函数法等基于数学模型的方法；基于信号处理的方法，只需要提取采集到的电压电流等信号的故障特征值，即可完成故障诊断。对于绕组短路故障，有用小波变换、傅里叶变换、经验模态分析和阶比分析等分析方法。对于退磁故障的检测，有通过对永磁同步电机永磁体失磁机理的分析，提出永磁电机磁链观测方法，能快速、准确的检测永磁体磁链的健康状况，诊断退磁故障；利用电流特征信号结合人工智能方法实现退磁的识别等。例如：中国专利申请号为201310425524的文献中提出的区分永磁同步电机定子绕组故障类型的方法,用于解决永磁同步电机定子绕组故障诊断和故障类型区分的问题，其主要是利用坐标变换理论，计算零序电压中基波幅值和初相位、零序电压中三次谐波的幅值和三相相电流基波的初相位，通过这些故障特征值，判断电机是否有定子绕组故障。根据零序电压中基波的初相位和三相相电流基波的初相位的差来判断故障类型和故障相。中国专利申请号为CN201710220764.5的文献公开了一种永磁同步电机定子绕组故障诊断方法，采集零序电压和定子电流,并计算零序电压和定子电流中基波的幅值和初始相位角，将其代入到关于相电阻偏差的二元二次方程组中，得到二元二次方程的合适解，即为每相绕组的电阻偏差，使用每相绕组的电阻偏差来实现故障检测、故障相定位和故障程度估算。虽然有着计算简单,易于实现,准确度高的优点，但是缺少对于退磁故障的分类，当电机运行在复杂的工作环境下，无法分类定子绕组故障与退磁故障。

发明内容

本发明的目的在于解决现有永磁同步电机故障诊断技术存在的问题，提出一种永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法，利用电流不平衡度和dq坐标系下电流合成矢量与直轴的夹角作为故障特征值，详细辨别出退磁、绕组断路与匝间短路故障。

本发明所述的永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤A)：将永磁同步电机以固定频率运行，采集永磁同步电机实际运行时的位置角θ和三相电流，根据一个采集周期中每一相的电流最大值和最小值计算出每相电流不平衡度，根据位置角θ和三相电流计算出dq坐标系下永磁同步电机实际运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α^*；

步骤B)：判断电流不平衡度，当电流不平衡度在[0，V₁]范围时，电机正常；当电流不平衡度大于V₂时，该相绕组断路故障；当电流不平衡度在(V₁，V₂]范围时，该相绕组匝间短路故障或是退磁故障，V₁、V₂是电机在三种故障运行状态下三相电流不平衡度的两个经验边界值；

步骤C)：当电流不平衡度在(V₁，V₂]范围时，将永磁同步电机实际运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α^*和正常运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α作比较，当α^*＞α时，永磁同步电机发生匝间短路故障；当α^*＜α时，永磁同步电机发生退磁故障。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、本发明采集永磁同步电机正常工况与故障工况下的电流值作为第一故障分类特征值，实现电机正常、绕组断路的识别，采集电机实际运行时的位置角，利用电流矢量图中直轴电流、交轴电流和电流合成矢量与直轴的夹角的关系，计算出电流合成矢量与直轴的夹角作为第二故障分类特征值，实现绕组匝间短路故障与退磁故障的识别。故障分类特征值采集方便，计算简单，易于实现故障的分类。

2、本发明在实现时只需要DSP28335控制板、驱动模块和编码器，省去了传统故障分类方法中所需的大量电压、电流传感器和较为复杂的算法，降低了故障分类成本。

3、本发明相较于其他故障分类方法，分类的故障类型种类更加复杂、分类范围更加广泛，实现了多个故障同时辨别的功能，提高了故障辨别设备的利用效率，使得对于永磁同步电机的故障分类更加便捷与高效。

附图说明

图1为实现本发明所述的永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法的分类装置的整体结构示意图；

图2是永磁同步电机正常运行时的电流矢量图；

图3是永磁同步电机退磁故障时的电流矢量图；

图4是永磁同步电机短路退磁故障时的电流矢量图；

图5是本发明的流程图；

附图中各部件的序号和名称：1、永磁同步电机；2、DSP28335驱动模块；3、DSP28335控制板；4、上位机；5、编码器。

具体实施方式

参见图1，实现本发明的装置包括DSP28335驱动模块2、DSP28335控制板3、上位机4以及编码器5。编码器5的输入端与永磁同步电机1相连，输出端连接DSP28335控制板3，编码器5用于采集永磁同步电机1实际运行的位置角信号，并将该实际运行的位置角信号输入到DSP28335控制板3中。DSP28335控制板3的输出端通过RS232串口与上位机4连接，使编码器5采集得到的位置角信号通过DSP28335控制板3传输到上位机4中，实现位置角信号的采集。DSP28335驱动模块2与永磁同步电机1双向连接，DSP28335驱动模块2同时与DSP28335控制板3连接，DSP28335控制板3通过驱动模块2进行电机驱动的有关算法处理，DSP28335控制板3发出的开关管控制信号用于驱动模块2驱动永磁同步电机1运行。

参见图2，当永磁同步电机1正常运行时，其电流合成矢量为

由电机正常运行时的d轴电流i_d和q轴电流i_q合成，电流合成矢量I_S与直轴的夹角为α：

由此得到正常运行时的转矩T_W为：

式中，P为极数，

为永磁同步电机1中的永磁体磁链，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，式(1)中的第二项为磁阻转矩分量，从式(1)可以看出，当永磁体退磁时，

减少，因此T_W减少。为了补偿这种减少的扭矩，应该增加q轴电流i_q。但由于永磁同步电机1中，L_d≠L_q，所以磁阻转矩不为零，电流合成矢量I_S与直轴的夹角α影响磁阻转矩项，所以从夹角α的角度研究诊断方法。

将电流合成矢量I_S和电流合成矢量I_S与直轴的夹角α带入(1)中，转矩T_W公式写成：

根据MTPA(最大转矩电流比控制)的定义，对于确定的转矩，在矢量空间中总是存在一个最优点，使得电流矢量的幅值最小，即MTPA工作点，同时是电机恒转矩曲线的切点，根据极值原理可得电流合成矢量I_S与直轴的夹角α:

由式(3)可见，电流合成矢量I_S与直轴的夹角α与两部分有关，即磁链

的变化，与(L_d-L_q)I_S的变化有关。由于(L_d-L_q)I_S与夹角α存在比例关系，所以将(L_d-L_q)I_S看作常数。由于cos^-1的单调性，所以夹角α的单调性与

有关。令

(L_d-L_q)I_S＝c，带入将分子简化得：

令电机正常工作时磁链为x₁；退磁故障发生时为x₂；令x₁＝x₂+δ；(0＜δ＜x₂)；x₁＞x₂，要想证明，当退磁时，电流合成矢量I_S与直轴的夹角α变小，即要证明

单调递减，即有：

将x₁＝x₂+δ代入式(5)得到：

化简后将(6)不等式两边同时平方得：

化简得：

再将两边同时平方得：(x₂+δ)²＜(x₂+δ)²+8c²，

显然8c²＞0，所以电流合成矢量I_S与直轴的夹角α随着磁链

减少而减小。

参见图3，当永磁同步电机1发生退磁故障运行时，其电流合成矢量为I_SO，由图3可知，退磁故障时的电流合成矢量I_SO与直轴的夹角α_so随着退磁故障的发生而减小。i_do为电机发生退磁故障时d轴电流，i_qo为电机发生退磁故障时q轴电流。

参见图4，当永磁同步电机1发生绕组短路故障运行时，将采集到的电流经过Park变换，以A相绕组短路故障为例，可以得到短路状态下的d、q轴电流公式：

式(7)与式(8)中：i_df表示A相绕组短路故障时的d轴电流，i_d表示永磁同步电机1正常工作时的A相的d轴电流，i_qf表示A相绕组短路故障时的q轴电流，i_q表示永磁同步电机1正常工作时的A相的q轴电流，θ_f代表A相故障时的相位，I_f表示短路电流的幅值，γ表示绕组的短路匝数与总匝数之比。因为sin 2θ_f在一个周期内，并不总是正值，但均值为零，而且(1-cos 2θ_f)在一个周期内通常为正值，所以当绕组短路故障发生时，d轴电流会减小，q轴电流会增加，如图4所示，I_Sf表示电机发生绕组短路故障时的电流合成矢量。当发生绕组短路故障时，永磁同步电机1的电流合成矢量与直轴的夹角会增加。

参见图1-5，由于当绕组断路故障和短路故障发生时，三相绕组之间会产生不对称性，绕组线圈感应电动势的不对称会引起电流增加的同时产生畸变。绕组断路故障产生的电流畸变比短路故障产生的电流畸变更加强烈与明显，所以利用电流的不平衡度来区分永磁同步电机运行时产生的开路与短路故障，判断出电机正常、断路故障以及匝间短路故障和退磁故障。但匝间短路故障和退磁故障的故障表现特征相似，都会出现相同输入电流下的转矩降低、效率低于正常电机等特征，因此采用基于电流信号不平衡度的方法用于辨别短路故障与退磁故障的方法效果模糊，所以本发明在基于电流信号不平衡度检测方法的基础上，使用dq坐标系下的电流合成矢量与直轴的夹角α作为第二故障诊断特征值来辨别短路故障和退磁故障。具体步骤如下：

步骤一：通过DSP28335控制板3发出开关管控制信号控制DSP28335驱动模块2，使DSP28335驱动模块2驱动实验用永磁同步电机1以固定频率ω运行在正常的工况下，同时，DSP28335驱动模块2采集电机的三相电流信号，并输入给DSP28335控制板3，DSP28335控制板3对信号调节后，由RS232串口将采集数据传输给上位机4。在DSP28335驱动模块2采集电流信号的同时，编码器5采集实验用永磁同步电机1正常运行时的位置角θ，并将采集到的位置角θ经DSP28335控制板3传输到上位机4中。

在一个采集周期T中，DSP28335驱动模块2采集到实验用永磁同步电机1正常工作时的A相、B相、C相的三相电流值，在上位机4中，筛选出一个采集周期T中每一相的电流最大值与电流最小值，根据电流最大值与电流最小值计算出每相电流不平衡度。由于永磁同步电机1具有对称性，所以仅取A相为例说明：在一个采集周期T中共采集到了n组A相电流值(n表示样本容量)，即A相电流I_A1、I_A2、I_A3、......I_An，I_A1表示第1组A相电流值，I_A2表示第2组A相电流值，I_A3表示第3组A相电流值，I_An表示第n组A相电流值。将筛选出的一个采集周期内n组A相电流值中的最大电流值记为I_Amax，最小电流值记为I_Amin。根据n组A相电流值中最大电流I_Amax和最小电流I_Amin，利用不平衡度公式，计算出实验用永磁同步电机1正常运行状态下的A相电流不平衡度 ε_A：

同理，可以得到实验用永磁同步电机1正常运行状态下的B、C相电流不平衡度。

步骤二：计算出三相电流的不平衡度后，上位机4通过电机正常运行时的三相电流值和位置角θ，通过park变换公式计算出dq旋转坐标系下的直轴电流i_d、交轴电流i_q：

其中I_A、I_B、I_C分别表示永磁同步电机1正常运行时的A相、B相、C相电流值，θ为电机正常运行时编码器5采集得到的位置角。结合图2电流矢量图中直轴电流i_q、交轴电流i_q与电流合成矢量与直轴的夹角α的矢量位置关系，得出关系式：

在上位机4中计算出实验用电机正常运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α。

步骤三：将实验用永磁同步电机1以固定频率ω运行，在匝间短路的故障状态下，以T为采集周期，采用与步骤一雷同的方法，可得到实验用永磁同步电机1在匝间短路故障下三相电流不平衡度分别是：ε_Asf、ε_Bsf、ε_Csf，ε_Asf表示电机匝间短路故障下的A相电流不平衡度，ε_Bsf表示电机匝间短路故障下的B相电流不平衡度，ε_Csf表示电机匝间短路故障下的C相电流不平衡度。

步骤四：将实验用永磁同步电机1以固定频率ω运行，在退磁的故障状态下，以T为采集周期，采用与步骤一雷同的方法，得到实验用永磁同步电机1退磁故障下三相电流不平衡度：ε_Ade、ε_Bde、ε_Cde，ε_Ade表示电机退磁故障下的A相电流不平衡度，ε_Bde表示电机退磁故障下的B相电流不平衡度，ε_Cde表示电机退磁故障下的C相电流不平衡度。

步骤五：将实验用永磁同步电机1以固定频率ω运行，在绕组断路的故障状态下，以T为采集周期，采用与步骤一雷同的方法，得到实验用永磁同步电机1绕组断路故障下三相电流不平衡度：ε_Aof、ε_Bof、ε_Cof，ε_Aof表示电机绕组断路故障下的A相电流不平衡度，ε_Bof表示电机绕组断路故障下的B相电流不平衡度，ε_Cof表示电机绕组断路故障下的C相电流不平衡度。

步骤六：多次重复步骤三至步骤五，至少重复5次以上，得到电机在匝间短路、退磁、绕组断路这三种故障运行状态下的多组三相电流不平衡度，分析这多组三相电流不平衡度，确定出电机在匝间短路、退磁、绕组断路这三种故障运行状态下三相电流不平衡度的两个经验边界值为V₁、V₂，也就是，分析出电机在匝间短路和退磁故障的故障状态下，三相电流不平衡度在(V₁，V₂]的区间内变化。分析出电机在绕组断路的故障状态下，三相电流不平衡度大于V₂。由此可得到，电机在正常运行状态下，三相电流不平衡度在[0，V₁]的闭区间内变化。

步骤七：选取与实验用永磁同步电机1同型号的未知工况状态的永磁同步电机作为待测电机，将待测电机以固定频率ω^*运行，采集待测电机实际运行时的三相电流，采用与步骤一雷同的方法，由上位机4处理数据得出待测电机的三相电流不平衡度：ε_A′、ε_B′、ε_C′，ε_A′表示待测电机的A相电流不平衡度，ε_B′表示待测电机的B相电流不平衡度，ε_C′，表示待测电机的C相电流不平衡度。以A相为例：当ε_A′在范围为0≤ε_A′≤V₁的区间内变化，待测电机正常；当ε_A′>V₂时，A相绕组断路故障；当ε_A′在范围为V₁<ε_A′≤V₂的区间内变化，则A相绕组短路故障或者是退磁故障。本发明中，优选V₁＝1.7％，V₂＝20％。

步骤八：如果待测电机的三相电流不平衡度在范围为V₁<ε_A′≤V₂的区间内变化，通过步骤七无法区分待测电机是匝间短路故障还是退磁故障，则利用第二故障特征量电流合成矢量与直轴的夹角来详细区分退磁故障与匝间短路故障：

当电机使用MTPA控制方法运行时，在dq轴坐标系下，通过步骤二中电流合成矢量与直轴的夹角的计算公式，可得永磁同步电机1实际运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α^*根据式(3)：

来分析与证明夹角α的单调性：通过对夹角α的单调性分析可知，当永磁体磁链

减少时，即相当于永磁同步电机1发生退磁故障的情况，永磁同步电机1正常运行时的夹角α转变为退磁故障时的夹角α_so，正常运行时的夹角α明显大于退磁故障时的夹角α_so。同样，对于永磁同步电机1发生短路故障时，通过对短路故障时的d轴电流i_df与q轴电流i_qf公式的推导与分析可知，当永磁同步电机1发生匝间短路故障时，电机正常运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α会明显小于短路故障时的电流合成矢量与直轴的夹角α_sf，因此将电机正常运行时的夹角α与退磁故障时的夹角α_so、匝间短路故障时的夹角α_sf的大小关系作为判断电机退磁故障与匝间短路故障的依据。

使待测电机在固定频率ω^*下运行，通过编码器5采集待测电机运行时的位置角，将采集到的数据传输到上位机4，通过上位机4计算得出待测电机实际运行时电流合成矢量与直轴的夹角α^*，在上位机4中与步骤二采集、计算得到的永磁同步电机1正常运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α作比较，当α^*＞α时，永磁同步电机1发生匝间短路故障；当α^*＞α时，永磁同步电机1发生退磁故障，到此故障分类过程结束。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法，其特征是包括以下步骤：

步骤A)：将永磁同步电机以固定频率运行，采集永磁同步电机实际运行时的位置角θ和三相电流，根据一个采集周期中每一相的电流最大值和最小值计算出每相电流不平衡度，根据位置角θ和三相电流计算出dq坐标系下永磁同步电机实际运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α^*；

步骤B)：判断电流不平衡度，当电流不平衡度在[0，V₁]范围时，电机正常；当电流不平衡度大于V₂时，该相绕组断路故障；当电流不平衡度在(V₁，V₂]范围时，该相绕组匝间短路故障或是退磁故障，V₁、V₂是电机在三种故障运行状态下三相电流不平衡度的两个经验边界值；

步骤C)：当电流不平衡度在(V₁，V₂]时，将永磁同步电机实际运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α^*和正常运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α作比较，当α^*＞α时，永磁同步电机发生匝间短路故障；当α^*＜α时，永磁同步电机发生退磁故障。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法，其特征是：步骤A)中，以永磁同步电机的A相为例，在一个采集周期中共采集到电机正常运行状态下的n组A相电流值，选出n组A相电流值中最大电流为I_Amax，最小电流为I_Amin，根据公式

计算出A相电流不平衡度ε_A，同理，分别得到电机在正常运行状态下的B、C相电流不平衡度。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法，其特征是：采集电机正常运行时的位置角θ和三相电流，通过park变换得到dq旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q，由式

得到电机正常运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α，采用雷同方法得到永磁同步电机实际运行时的电流合成矢量与直轴的夹角α^*。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法，其特征是：所述的直轴电流

交轴电流

I_A、I_B、I_C分别是永磁同步电机正常运行时的A相、B相、C相电流。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法，其特征是：步骤A)之前，先多次采集永磁同步电机在匝间短路、退磁、绕组断路这三种故障运行状态下的三相电流，再根据一个采集周期中每一相的电流最大值和最小值分别计算出每相电流不平衡度，确定出两个经验边界值V₁、V₂。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机的退磁、绕组断路与匝间短路故障分类方法，其特征是：步骤B)中，优选V₁＝1.7％，V₂＝20％。

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