一种d轴磁网络法永磁同步电机建模方法

1.本发明属于永磁同步电机建模领域，涉及一种基于d轴磁网络法的永磁同步电机建模技术，具体是一种d轴磁网络法永磁同步电机建模方法。


背景技术：

2.永磁同步电机因其突出优点，在风力发电、航天、船舶、电动汽车等领域被广泛应用。在长时间运行过程中，永磁同步电机会因各种原因出现不同种类的故障，如匝间短路故障、匝间断路故障、退磁故障和偏心故障等，对永磁同步电机各类故障的诊断分析迫在眉睫。
3.现有技术对永磁同步电机故障类型分析时，主要通过信号处理、信号注入和人工智能等方法诊断永磁同步电机的故障类型；但是现有技术无法对电机故障同时进行定性和定量分析，适用范围小；因此，亟需一种适用范围广的永磁同步电机建模方法。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出了一种d轴磁网络法永磁同步电机建模方法，用于解决现有技术适用范围小，无法对故障电机同时进行定性和定量分析的技术问题，本发明提出的基于d轴磁网络法的永磁同步电机建模方法，通过对电机本体的磁路进行建模，可以有效地分析发生各类故障时电机气隙磁密波形的变化，既可以定性地分析电机的故障类型，也可以通过定量求解分析电机故障的程度，且适用不同极对数和不同尺寸的永磁同步电机。
5.为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种d轴磁网络法永磁同步电机建模方法，包括：
6.对任意极对数永磁同步电机磁路中的d轴磁路进行建模，并通过电机设计参数计算d轴磁路上永磁体磁动势、电枢磁动势和各磁阻；
7.将d轴磁路按照电路模型的建立原则，建立永磁同步电机的d轴磁网络模型；其中，电路模型的建立原则是指有电源，且形成闭合回路；
8.通过磁路法则对d轴磁网络模型进行简化；其中，磁路原则指磁路中永磁体磁动势和电枢磁动势等效于闭合回路中的电压，磁路中的磁阻等效于闭合回路中的带你组，磁路中的磁通量等效于闭合回路中的电流。
9.优选的，磁路法则结合电机故障对d轴磁网络模型进行简化分析；其中，电机故障包括匝间短路、断路故障、退磁故障和偏心故障。
10.优选的，针对永磁同步电机的匝间短路和断路故障，直轴电枢磁动势f
adi
变化，且永磁体等效磁动势f
1i
不变且相等；其中，i表示按照逆时针方向的第i个永磁体，i＝1，2，
…
，n；
11.通过直轴电枢磁动势f
adi
、永磁体等效磁动势f
1i
和第i条支路上等效磁阻之和r
1i
的表达式对d轴磁网络模型进行简化；其中，直轴电枢磁动势f
adi
的表达式为
永磁体等效磁动势f
1i
的表达式为第i条支路上等效磁阻之和r
1i
的表达式为
12.优选的，针对永磁同步电机退磁故障，直轴电枢磁动势f
adi
变化，永磁体等效磁动势f
1i
变化；且在均匀退磁情况下，永磁体等效磁动势f
1i
相等，在局部退磁情况下，永磁体等效磁动势f
1i
不相等；
13.退磁后的永磁体磁动势为f
p
′
mi
＝tf
pmi
；其中，t为退磁系数，且0≤t≤1；
14.永磁体等效磁动势f
1i
的表达式为
15.优选的，针对永磁同步电机的偏心故障，气隙磁阻r
ai
变化，关联磁阻r
2i
的表达式为其中，关联磁阻r
2i
是磁阻合并产生的参数。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1、本发明通过电机本体的尺寸参数和材料参数计算d轴磁路上永磁体磁动势、电枢磁动势和各磁阻，为永磁同步电机退磁故障、偏心故障和匝间短路和断路故障提供了一种准确的分析方法，可以有效地对电机的故障类型和故障程度进行分析。
18.2、本发明采用d轴磁路的建模方法有效地避免q轴电流的影响，在d轴磁网络中，转矩波动不会对转动结果产生影响，既降低了分析的难度，又提升了系统的鲁棒性，且适用范围更广。
附图说明
19.图1为本发明基于d轴磁网络法的永磁同步电机建模图；
20.图2为本发明中分析永磁同步电机匝间短路、断路故障和退磁故障的简化模型图；
21.图3为本发明中分析永磁同步电机偏心故障的简化模型图；
22.图4为本发明中2对极永磁同步电机d轴磁网络法建模图；
23.图5为本发明中2对极永磁同步电机退磁故障的简化模型图。
具体实施方式
24.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
25.永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、功率密度高、效率高、转矩惯量比大等优点。目前，永磁同步电机在风力发电、航天、船舶和电动汽车方面广泛使用。电机在长时间运行过程中，由于各种原因，永磁同步电机易发生不同种类的故障，如匝间短路故障、匝间断路故障、退磁故障和偏心故障等。对永磁同步电机各类故障的诊断分析迫在眉睫，电机的故障诊断与容错对电机安全可靠运行有着重要的意义。
26.目前国内外对电机故障类型的分析，主要通过信号处理、信号注入和人工智能算法等方法诊断电机的故障类型；信号处理主要针对电流信号、电压信号和振动信号进行fft变换、希尔伯特黄变换、小波变换和经验模态分解等处理来提取特征信号；信号注入主要向控制电路中注入旋转电压信号，来观察电感的变化；人工智能算法方法主要通过建立算法模型对数据进行训练来识别电机故障类型。
27.本发明提出的基于d轴磁网络法的永磁同步电机建模方法，为诊断电机的故障类型提供了一种新思路，通过对电机本体的磁路进行建模，可以有效地分析发生各类故障时电机气隙磁密的变化，既可以定性地分析电机的故障类型，也可以通过定量求解分析电机故障的程度；该建模方法具有通用性，针对于不同极对数、不同尺寸的电机，该建模方案适用；针对于不同故障类型的电机建模，该建模方案仍适用；基于d轴磁网络法的永磁同步电机建模方法可以有效避开q轴电流的影响，降低了磁路分析的难度，对于一些特殊的控制方案，使其建模方案更加简单。
28.请参阅图1，本技术提供了一种d轴磁网络法永磁同步电机建模方法，包括：
29.对任意极对数永磁同步电机磁路中的d轴磁路进行建模，并通过电机设计参数计算d轴磁路上永磁体磁动势、电枢磁动势和各磁阻；
30.将d轴磁路按照电路模型的建立原则，建立永磁同步电机的d轴磁网络模型；
31.通过磁路法则对d轴磁网络模型进行简化。
32.图1中r
sti
为定子齿磁阻；r
si
为定子侧漏磁阻；r
ai
为气隙磁阻；r
pmi
为永磁体磁阻；r
ri
为转子侧漏磁阻；r
sj
为定子轭磁阻；r
rj
为转子轭磁阻；f
adi
为直轴电枢磁动势；f
pmi
为永磁体磁动势；n为永磁同步电机的永磁体的极数，n＝2p，p为永磁同步电机极对数。
33.针对不同故障类型的分析，对电机d轴磁网络模型的简化方法不一样；对于永磁同步电机匝间短路和断路故障，会影响电枢磁动势的大小，简化的过程中不能将电枢磁动势与永磁体磁动势叠加在一起；对于永磁同步电机退磁故障，会影响永磁体磁动势，简化的过程中也不能将d轴电枢磁动势与永磁体磁动势叠加在一起；对于永磁同步电机偏心故障，会影响气隙磁阻，简化的过程中不能将气隙磁阻和别的磁阻叠加在一起。
34.本技术中磁路法则结合电机故障对d轴磁网络模型进行简化；其中，电机故障包括匝间短路、断路故障、退磁故障和偏心故障。
35.请参阅图2，图2为永磁同步电机匝间短路、断路故障和退磁故障的简化模；针对永磁同步电机的匝间短路和断路故障，图2中直轴电枢磁动势f
adi
变化，且永磁体等效磁动势f
1i
不变且相等；
36.通过直轴电枢磁动势f
adi
、永磁体等效磁动势f
1i
和第i条支路上等效磁阻之和r
1i
的表达式对d轴磁网络模型进行简化分析；
37.直轴电枢磁动势f
adi
的表达式为公式1：其中，k
dp
为绕组因数，n为绕组匝数，k
ad
为直轴电枢磁动势折算系数，id为直轴电流；
38.永磁体等效磁动势f
1i
的表达式为公式2：
39.第i条支路上等效磁阻之和r
1i
的表达式为公式3：
40.针对永磁同步电机退磁故障，图2中轴电枢磁动势f
adi
变化，永磁体等效磁动势f
1i
变化；如果是均匀退磁，f
1i
相等，如果是局部退磁，f
1i
不相等；当永磁同步电机发生退磁故障时，对应退磁永磁体的磁动势下降，引入退磁系数t，退磁后的永磁体磁动势表达式为公式4：f
p
′
mi
＝tf
pmi
，则退磁后永磁体等效磁动势f
1i
的表达式为公式5：
41.请参阅图3，图3为永磁同步电机偏心故障的简化模型；针对永磁同步电机的偏心故障，永磁同步电机的气隙的宽度随时间的变化，则永磁同步电机的气隙磁阻r
ai
的大小是变化的，在分析偏心故障时，不能将其磁阻叠加到其他磁阻中，图3中关联磁阻r
2i
的表达式为公式6：
42.请参阅图4-图5，以2对极永磁同步电机在id＝0控制下分析退磁故障为例：
43.对2对极永磁同步电机在id＝0控制下，r2＝r
sj
r
rj
，
44.根据图5，依据kvl电路法则列方程组1：
[0045][0046]
若永磁同步电机正常情况下，各个永磁体的磁动势为公式7：f
10
＝f
20
＝f
30
＝f
40
＝f1；
[0047]
若永磁同步电机单个永磁体退磁情况下，各个永磁体的磁动势为公式8：
[0048][0049]
将公式7带入方程组1中，正常电机气隙主磁通为：
[0050]
将公式8带入方程组1中，一个永磁体退磁气隙主磁通为：
[0051][0052]
退磁永磁体对应主磁通为φ2，对退磁永磁体相邻永磁体的主磁通波形中点赋值进行分析计算退磁程度t(通过该建模方法，可以准确计算退磁情况下退磁永磁体的退磁程度)，得公式中主磁通φ1和φ1′
可以通过线性霍尔传感器测得气隙磁密乘以单个定子齿面积获取。
[0053]
上述公式中的部分数据均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集的大量数据经过软件模拟得到最接近真实情况的一个公式；公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者通过大量数据模拟获得。
[0054]
本发明的工作原理：
[0055]
对任意极对数永磁同步电机磁路中的d轴磁路进行建模，并通过电机设计参数计算d轴磁路上永磁体磁动势、电枢磁动势和各磁阻。
[0056]
将d轴磁路按照电路模型的建立原则，建立永磁同步电机的d轴磁网络模型；通过磁路法则结合电机故障对d轴磁网络模型进行简化。
[0057]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。