一种永磁同步电机的退磁故障诊断方法

1.本发明涉及故障诊断分析技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机的退磁故障诊断方法。


背景技术：

2.永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine)具有功率密度高、效率高、转矩惯量比大、调速范围宽等优点。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。然而，永磁同步电机在运行过程中，永磁体易受到反向磁场、高温等影响，可能发生退磁故障，退磁故障主要分为局部退磁故障和均匀退磁故障。使得永磁同步电机损坏或者电机运行异常，导致永磁同步电机运行的安全性、可靠性降低。
3.专利内容
4.本发明实施例的目的在于提供一种永磁同步电机退磁故障的诊断方法。实现了能够对永磁同步电机退磁故障进行诊断，及时发现永磁同步电机的退磁故障及退磁故障种类，从而提高永磁同步电机运行的安全性、可靠性。
5.具体技术方案如下：
6.在本发明实施的第一方面，首先提供了一种永磁同步电机的退磁故障诊断方法，所述方法包括：
7.通过永磁同步电机的线性霍尔传感器，获取所述永磁同步电机的各个永磁体表面对应的d轴气隙磁密；其中，d轴是所述永磁同步电机的直轴；
8.根据所述永磁同步电机的各个永磁体表面对应的d轴气隙磁密，确定所述永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量；
9.根据所述永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量和退磁故障种类策略，确定所述永磁同步电机的退磁故障种类；所述退磁故障种类策略记录了所述永磁同步电机的永磁体表面的d轴磁通量变化量与退磁故障种类之间的关系。
10.可选地，根据所述永磁同步电机的各个永磁体表面对应的d轴气隙磁密，确定所述永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量，包括：
11.针对每一永磁体，将该永磁体表面的d轴磁通量与对应的预设d轴磁通量作差，得到该永磁体表面的d轴磁通变化量；其中，预设磁通量为该永磁体正常状态下的d轴磁通量。
12.可选地，所述永磁同步电机采用id＝0电流滞环控制策略；
13.在根据所述永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量和退磁故障种类策略确定所述永磁同步电机的退磁故障种类之前，所述方法还包括：
14.对所述永磁同步电机进行d轴磁网络建模，得到所述永磁同步电机的d轴磁网络模型；
15.根据基尔霍夫定律kvl和所述d轴磁网络模型，确定所述永磁同步电机的退磁故障种类策略。
16.可选地，所述永磁同步电机为2对极永磁同步电机；
17.对所述永磁同步电机进行d轴磁网络建模，得到所述永磁同步电机的d轴磁网络模型，包括：
18.构建所述2对极永磁同步电机的磁网络模型；所述2对极永磁同步电机的磁网络模型包括：定子齿磁阻r
st1
、r
st2
、r
st3
、r
st4
，气隙磁阻r
a1
、r
a2
、r
a3
、r
a4
，永磁体磁阻r
pm1
、r
pm2
、r
pm3
、r
pm4
，转子侧漏磁阻r
b1
、r
b2
、r
b3
、r
b4
，永磁体磁动势f
pm1
、f
pm2
、f
pm3
、f
pm4
，定子侧漏磁阻r
s1
、r
s2
、r
s3
、r
s4
，直轴电枢磁动势f
ad1
、f
ad2
、f
ad3
、f
ad4
，电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8；其中，r
st1
＝r
st2
＝r
st3
＝r
st4
，r
a1
＝r
a2
＝r
a3
＝r
a4
，r
pm1
＝r
pm2
＝r
pm3
＝r
pm4
，r
b1
＝r
b2
＝r
b3
＝r
b4
，f
pm1
＝f
pm2
＝f
pm3
＝f
pm4
，r
s1
＝r
s2
＝r
s3
＝r
s4
，f
ad1
＝f
ad2
＝f
ad3
＝f
ad4
，r1＝r4＝r5＝r8，r2＝r3＝r6＝r7；
19.根据所述2对极永磁同步电机采用id＝0电流滞环控制策略，得所述直轴电枢磁动势f
ad1
＝f
ad2
＝f
ad3
＝f
ad4
＝0，所述定子侧漏磁阻被短路，简化所述2对极永磁同步电机的网络模型得到所述2对极永磁同步电机的d轴磁网络模型；所述d轴磁网络模型为，第一支路的正极串联电阻r1与第二支路负极相连，所述第二支路的正极串联电阻r2与所述第一支路负极相连，所述第二支路的正极串联电阻r3与第三支路负极相连，所述第三支路的正极串联电阻r4与所述第二支路负极相连，所述第三支路的正极串联电阻r5与第四支路负极相连，所述第四支路的正极串联电阻r6与所述第三支路负极相连，所述第四支路的正极串联电阻r7与所述第一支路负极相连，所述第一支路的正极串联电阻r8与所述第四支路负极相连；所述第一支路为，f
pm1
正极串联r
st1
和r
a1
，f
pm1
负极串联r
pm1
，且f
pm1
和r
pm1
与r
b1
并联；所述第二支路为，f
pm2
负极串联r
st2
和r
a2
，f
pm2
正极串联r
pm2
，且f
pm2
和r
pm2
与r
b2
并联；所述第三支路为，f
pm3
正极串联r
st3
和r
a3
，f
pm3
负极串联r
pm3
，且f
pm3
和r
pm3
与r
b3
并联；所述第四支路为，f
pm4
负极串联r
st4
和r
a4
，f
pm4
正极串联r
pm4
，且f
pm4
和r
pm4
与r
b4
并联。
20.可选地，所述根据基尔霍夫定律kvl和所述d轴磁网络模型，确定所述永磁同步电机的退磁故障种类策略，包括：
21.根据kvl法则建立所述d轴磁网络模型的kvl方程组；
22.针对每一种类型的退磁故障，将所述永磁同步电机发生该类型的退磁故障时，所述永磁同步电机的各个永磁体的磁动势，代入所述kvl方程组，求解得所述永磁同步电机发生该类型的退磁故障时，所述永磁同步电机各个永磁体表面的d轴磁通量变化量；
23.根据所述永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量，确定所述永磁同步电机的退磁故障种类策略。
24.可选地，所述根据kvl法则建立所述d轴磁网络模型的kvl方程组，包括：
25.令r1＝r4＝r5＝r8＝r
sj
，r2＝r3＝r6＝r7＝r
rj
，r2＝r
sj
r
rj
，所述第一支路的磁动势为f
10
，所述第二支路的磁动势为f
20
，所述第三支路的磁动势为f
30
，所述第四支路的磁动势为f
40
，所述第一支路与所述第四支路组成的分支电路的磁通密度为φ
10
，所述第一支路与所述第二支路组成的分支电路的磁通密度为φ
20
，所述第二支路与所述第三支路组成的分支电路的磁通密度为φ
30
，所述第三支路与所述第四支路组成的分支电路的磁通密度为φ
40
；
26.根据kvl法则建立d轴磁网络模型的kvl方程组为：
[0027][0028]
可选地，根据所述永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量和退磁故障种类策略确定所述永磁同步电机的退磁故障种类，包括：
[0029]
若所述永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通变化量不相等，且磁通变化量大于预设阈值，则根据退磁故障种类策略确定所述永磁同步电机发生局部退磁故障；
[0030]
若所述永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通变化量相等，且磁通变化量大于预设阈值，则根据退磁故障种类策略确定所述永磁同步电机发生均匀退磁故障；
[0031]
若所述永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通变化量相等，且磁通变化量不大于预设阈值，则根据退磁故障种类策略确定所述永磁同步电机未发生故障。
[0032]
本发明实施例提供的一种永磁同步电机的退磁故障诊断方法，通过永磁同步电机的线性霍尔传感器，获取永磁同步电机的各个永磁体表面对应的d轴气隙磁密；其中，d轴是永磁同步电机中的直轴；根据永磁同步电机的各个永磁体表面对应的d轴气隙磁密，确定永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量；根据永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量和退磁故障种类策略确定永磁同步电机的退磁故障种类；退磁故障种类策略记录了，永磁同步电机的永磁体表面的d轴磁通量变化量与退磁故障种类之间的关系。通过以上步骤能够对永磁同步电机退磁故障进行诊断，及时发现永磁同步电机的退磁故障及退磁故障种类，从而提高永磁同步电机运行的安全性、可靠性。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的退磁故障诊断方法的流程图；
[0034]
图2为本发明实施例提供的另一种永磁同步电机的退磁故障诊断方法的流程图；
[0035]
图3为本发明实施例提供的2对极永磁同步电机的网络模型的等效图；
[0036]
图4为本发明实施例提供的2对极永磁同步电机的d轴磁网络模型的等效图；
[0037]
图5为本发明实施例提供的另一种永磁同步电机的退磁故障诊断方法的流程图；
[0038]
图6为本发明实施例提供的永磁同步电机的工作原理示意图。
具体实施方式
[0039]
下面将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，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基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
本发明实施例提供了一种永磁同步电机的退磁故障诊断方法，参见图1，图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的退磁故障诊断方法的流程图，可以包括以下步骤：
[0041]
s101，通过永磁同步电机的线性霍尔传感器，获取永磁同步电机的各个永磁体表面对应的d轴气隙磁密。
[0042]
s102，根据永磁同步电机的各个永磁体表面对应的d轴气隙磁密，确定永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量。
[0043]
s103，根据永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量和退磁故障种类策略确定永磁同步电机的退磁故障种类。
[0044]
其中，d轴是永磁同步电机的直轴。
[0045]
退磁故障种类策略记录了永磁同步电机的永磁体表面的d轴磁通量变化量与退磁故障种类之间的关系。
[0046]
基于本发明实施例提供的永磁同步电机的磁故障诊断方法，能够对永磁同步电机退磁故障进行诊断，及时发现永磁同步电机的退磁故障及退磁故障种类，从而提高永磁同步电机运行的安全性、可靠性。
[0047]
一种实现方式中，永磁同步电机的定子齿中嵌入了高斯计的线性霍尔传感器探头，线性霍尔传感器产生的霍尔电压与气隙磁通密度成正比，通过检测线性霍尔传感器产生的霍尔电压可以实时监测电机气隙磁通密度的变化，进而确定永磁同步电机是否发生退磁故障。
[0048]
一种实现方式中，可以将永磁同步电机在d-q坐标系上进行数学模型，其中d轴是永磁同步电机中的直轴，q轴是永磁同步电机中的交轴，直轴方向为永磁同步电机中转子磁极的中心线，交轴方向为两相邻磁极之间的垂直平分线。
[0049]
在一个实施例中，步骤s102具体为：
[0050]
针对每一永磁体，将该永磁体表面的d轴磁通量与对应的预设d轴磁通量作差，得到该永磁体表面的d轴磁通变化量。
[0051]
其中，预设磁通量为该永磁体正常状态下的d轴磁通量。
[0052]
在一个实施例中，永磁同步电机采用id＝0电流滞环控制策略，参见图2，在图1的基础上，步骤s103之前，该方法还可以包括：
[0053]
s104，对永磁同步电机进行d轴磁网络建模，得到永磁同步电机的d轴磁网络模型。
[0054]
s105，根据基尔霍夫定律kvl和d轴磁网络模型，确定永磁同步电机的退磁故障种类策略。
[0055]
在一个实施例中，永磁同步电机为2对极永磁同步电机，步骤s105包括：
[0056]
步骤一，构建2对极永磁同步电机的网络模型。
[0057]
步骤二，根据2对极永磁同步电机采用id＝0电流滞环控制策略，得直轴电枢磁动势f
ad1
＝f
ad2
＝f
ad3
＝f
ad4
＝0，定子侧漏磁阻被短路，简化2对极永磁同步电机的网络模型得到2对极永磁同步电机的d轴磁网络模型。
[0058]
2对极永磁同步电机的网络模型包括：定子齿磁阻r
st1
、r
st2
、r
st3
、r
st4
，气隙磁阻r
a1
、r
a2
、r
a3
、r
a4
，永磁体磁阻r
pm1
、r
pm2
、r
pm3
、r
pm4
，转子侧漏磁阻r
b1
、r
b2
、r
b3
、r
b4
，永磁体磁动势f
pm1
、f
pm2
、f
pm3
、f
pm4
，定子侧漏磁阻r
s1
、r
s2
、r
s3
、r
s4
，直轴电枢磁动势f
ad1
、f
ad2
、f
ad3
、f
ad4
，电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8；其中，r
st1
＝r
st2
＝r
st3
＝r
st4
，r
a1
＝r
a2
＝r
a3
＝r
a4
，r
pm1
＝r
pm2
＝r
pm3
＝r
pm4
，r
b1
＝r
b2
＝r
b3
＝r
b4
，f
pm1
＝f
pm2
＝f
pm3
＝f
pm4
，r
s1
＝r
s2
＝r
s3
＝r
s4
，f
ad1
＝f
ad2
＝f
ad3
＝f
ad4
，r1＝r4＝r5＝r8，r2＝r3＝r6＝r7。
[0059]
d轴磁网络模型为，第一支路的正极串联电阻r1与第二支路负极相连，第二支路的正极串联电阻r2与第一支路负极相连，第二支路的正极串联电阻r3与第三支路负极相连，第
三支路的正极串联电阻r4与第二支路负极相连，第三支路的正极串联电阻r5与第四支路负极相连，第四支路的正极串联电阻r6与第三支路负极相连，第四支路的正极串联电阻r7与第一支路负极相连，第一支路的正极串联电阻r8与第四支路负极相连；第一支路为，f
pm1
正极串联r
st1
和r
a1
，f
pm1
负极串联r
pm1
，且f
pm1
和r
pm1
与r
b1
并联；第二支路为，f
pm2
正极串联r
st2
和r
a2
，f
pm2
负极串联r
pm2
，且f
pm2
和r
pm2
与r
b2
并联；第三支路为，f
pm3
正极串联r
st3
和r
a3
，f
pm3
负极串联r
pm3
，且f
pm3
和r
pm3
与r
b3
并联；第四支路为，f
pm4
正极串联r
st4
和r
a4
，f
pm4
负极串联r
pm4
，且f
pm4
和r
pm4
与r
b4
并联。
[0060]
参见图3，图3为本发明实施例提供的2对极永磁同步电机的网络模型的等效图。
[0061]
参见图4，图4为本发明实施例提供的2对极永磁同步电机的d轴磁网络模型的等效图。
[0062]
一种实现方式中，永磁同步电机采用id＝0电流滞环控制策略，由，得f
ad1
＝f
ad2
＝f
ad3
＝f
ad4
＝0，且定子侧漏磁阻被短路，则可以将图3简化为图4，即可得到2对极永磁同步电机的d轴磁网络模型的等效图。
[0063]
在一个实施例中，参见图5，在图2的基础上，步骤s105，包括：
[0064]
s1051，根据kvl法则建立d轴磁网络模型的kvl方程组。
[0065]
s1052，针对每一种类型的退磁故障，将永磁同步电机发生该类型的退磁故障时，永磁同步电机的各个永磁体的磁动势，代入kvl方程组，求解得永磁同步电机发生该类型的退磁故障时，永磁同步电机各个永磁体表面的d轴磁通量变化量；
[0066]
s1053，根据永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量变化量，确定永磁同步电机的退磁故障种类策略。
[0067]
在一个实施例中，步骤s1051，包括：
[0068]
步骤一，令r1＝r4＝r5＝r8＝r
sj
，r2＝r3＝r6＝r7＝r
rj
，r2＝r
sj
r
rj
，第一支路的磁动势为f
10
，第二支路的磁动势为f
20
，第三支路的磁动势为f
30
，第四支路的磁动势为f
40
，第一支路与第四支路组成的分支电路的磁通密度为φ
10
，第一支路与第二支路组成的分支电路的磁通密度为φ
20
，第二支路与第三支路组成的分支电路的磁通密度为φ
30
，第三支路与第四支路组成的分支电路的磁通密度为φ
40
。
[0069]
步骤二，根据kvl法则建立d轴磁网络模型的kvl方程组为：
[0070][0071]
一种实现方式中，可以定义退磁程度为t(0≤t≤1)，则退磁后永磁体磁动势等于正常永磁体磁动势乘以t。永磁同步电机发生各种类型的退磁故障时，永磁同步电机的各个永磁体的磁动势如下所示：
[0072]
若永磁同步电机的一个永磁体退磁，则永磁同步电机的磁动势为
或者为或者为或者为
[0073]
若永磁同步电机的一对不同极性永磁体退磁，则永磁同步电机的磁动势为或者为
[0074]
若永磁同步电机的一对同极性永磁体退磁，则永磁同步电机的磁动势为或者为
[0075]
若永磁同步电机三个永磁体退磁，则永磁同步电机的磁动势为或者为或者为或者为
[0076]
若永磁同步电机四个永磁体退磁，则永磁同步电机的磁动势为{f
10
＝f
20
＝f
30
＝f
40
＝tf1。
[0077]
将上述各种故障情况下的永磁同步电机的磁动势代入永磁同步电机的d轴磁网络模型的kvl方程组，求解得到各种故障情况下，永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量φ1'、φ2'、φ3'、φ4'(可以称为当前磁通量)。
[0078]
当永磁同步电机为正常电机时，永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通量(可以称为原始磁通量)。
[0079]
根据各种故障情况下的当前磁通量和原始磁通量，可以得到上述各种故障情况下，永磁同步电机各个永磁体表面的d轴磁通变化量。根据永磁同步电机各个永磁体表面的d轴磁通变化量之间的关系，可以确定永磁同步电机的退磁故障种类策略。在实际的故障检测中，当永磁同步电机发生退磁故障时，可以根据永磁同步电机各个永磁体表面的d轴磁通变化量，进一步确定退磁故障原因是一个永磁体退磁，或者是一对不同极性永磁体退磁，或者是一对同极性永磁体退磁，或者是三个永磁体退磁，或者是均匀退磁故障。
[0080]
在一个实施例中，步骤s103包括：
[0081]
步骤一，若永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通变化量不相等，且磁通变化量大于预设阈值，则确定永磁同步电机发生局部退磁故障。
[0082]
步骤二，若永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通变化量相等，且磁通变化量大于预设阈值，则确定永磁同步电机发生均匀退磁故障。
[0083]
步骤三，若永磁同步电机的各个永磁体表面的d轴磁通变化量相等，且磁通变化量不大于预设阈值，则确定永磁同步电机未发生故障。
[0084]
一种实现方式中，预设阈值可以由技术人员根据经验进行设置。由于未退磁的永磁体对应磁通量也可能发生一定变化，因此，当永磁同步电机的各个永磁体的磁通变化量相等，且磁通变化量不大于预设阈值，可以确定永磁同步电机的永磁体未退磁，即永磁同步电机未发生故障。
[0085]
在一个实施例中，以一个2对极36槽永磁同步电机发生一个永磁体退磁的局部退磁故障为例：
[0086]
通过2对极永磁同步电机d轴磁网络法建立表达式，分别求解其磁通：
[0087]
当电机为正常电机时：
[0088]
当电机为局部退磁电机(一个永磁体)时：
[0089][0090]
对电机的磁通进行作差：
[0091][0092]
根据本发明提出永磁同步电机的退磁故障诊断方法，由δφ1＝δφ3≠δφ2≠δφ4，则可以确定该永磁同步电机发生退磁故障。
[0093]
参见图6，图6为本发明实施例提供的永磁同步电机的工作原理示意图。
[0094]
本发明实施例提供的方法中，永磁同步电机控制策略是通过id＝0电流滞环控制，利用线性霍尔传感器获得气隙磁密波形进行退磁故障诊断。
[0095]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0096]
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部
分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0097]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。