用于监测永磁电机转子失磁故障的方法和系统与流程

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监测永磁电机转子失磁故障的方法和系统。
背景技术：
：永磁同步电机因其具有高功率密度、高效率、高可靠性和高转矩等优点，在新能源发电、电动汽车驱动、航空航天及轨道交通等各个领域中得到了越来越广泛的应用。在永磁同步电机中，永磁体是电机正常运行的必要条件。但在电机设计或永磁体制作工艺不当、永磁体发生老化、电机运行温度过高、机械振动、电机发生外部或内部故障等情况下，永磁体可能发生局部磁性减弱甚至完全失磁。永磁体一旦失磁，会给永磁同步电机的运行带来一些不良影响，比如电枢电流增大引起发热、平均转矩减小而脉动转矩增大、机械振动加剧等，严重时甚至会烧毁电机。因此有必要对永磁同步电机的转子失磁故障进行实时在线监测与诊断。目前针对永磁同步电机，最常用的监测方法是通过电枢电流的谐波分析来判断电机是否发生失磁故障。这种根据特定谐波电流判断失磁故障的方法，虽然具有信号采集简单、方便等优点，但是存在很多的局限性，比如：(1)现在多采用变频器作为永磁同步电机的电源，而变频器输出的并非理想的正弦波，含有大量的谐波，导致电枢电流中也包含大量谐波成分，当永磁同步电机发生失磁故障时，难以区分电枢电流中的谐波是由故障引起还是由变频器引起，为故障诊断带来困难；(2)在某些定子绕组结构下，电机发生转子失磁故障时，电枢电流中不会产生新的谐波分量，即不会产生失磁故障所独有的谐波分量，此时无法判断电机是否发生失磁故障。技术实现要素：考虑到上述问题而提出了本发明。本发明提供了一种用于监测永磁电机转子失磁故障的方法和系统。根据本发明一个方面，提供了一种用于监测永磁电机转子失磁故障的方法，包括：检测布置于永磁同步电机内的一个或多个探测线圈的实际端口电压以及永磁同步电机的运行转速；对于一个或多个探测线圈中的每一个，计算该探测线圈的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值；根据该探测线圈的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值，计算该探测线圈的在线监测值，其中，该探测线圈的在线监测值为该探测线圈的实际端口电压中的所有预定谐波分量的总有效值；以及将该探测线圈的在线监测值与该探测线圈的、与运行转速相对应的报警值相比较，以获得该探测线圈的比较结果；以及根据一个或多个探测线圈的比较结果，确定永磁同步电机是否发生转子失磁故障。示例性地，确定永磁同步电机是否发生转子失磁故障包括：如果指示对应探测线圈的在线监测值高于对应探测线圈的、与运行转速相对应的报警值的比较结果的数目大于或等于预定数目，则确定永磁同步电机发生转子失磁故障。示例性地，预定数目等于1。示例性地，方法还包括：当永磁同步电机在正常额定工况下运行时，检测一个或多个探测线圈的端口电压；对于一个或多个探测线圈中的每一个，计算在正常额定工况下该探测线圈的端口电压中的预定谐波分量的有效值；根据在正常额定工况下该探测线圈的端口电压中的预定谐波分量的有效值，计算该探测线圈的预先监测值，其中，该探测线圈的预先监测值为在正常额定工况下该探测线圈的端口电压中的所有预定谐波分量的总有效值；以及根据该探测线圈的预先监测值计算该探测线圈的、与运行转速相对应的报警值。示例性地，对于一个或多个探测线圈中的每一个，根据该探测线圈的预先监测值计算该探测线圈的、与运行转速相对应的报警值包括：对于一个或多个探测线圈中的每一个，根据以下公式计算该探测线圈的、与运行转速相对应的报警值ud_alarm：其中，uop_normal为该探测线圈的预先监测值，n为运行转速，nn为永磁同步电机的额定转速，ktol为可靠裕度。示例性地，对于一个或多个探测线圈中的每一个，根据该探测线圈的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值，计算该探测线圈的在线监测值包括：对于一个或多个探测线圈中的每一个，根据以下公式计算该探测线圈的在线监测值ud_op：其中，ui表示i次谐波分量的有效值，并且其中，当永磁同步电机的极对数p＝1时，i＝2,4,6；当极对数p≥2时，并且i只取分数。示例性地，对于一个或多个探测线圈中的每一个，计算该探测线圈的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值包括：对于一个或多个探测线圈中的每一个，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该探测线圈的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值。示例性地，方法还包括：在确定永磁同步电机发生转子失磁故障的情况下，输出报警信息。根据本发明另一方面，提供了一种用于监测永磁电机转子失磁故障的系统，包括：一个或多个探测线圈，布置于永磁同步电机内部；电压检测装置，用于检测一个或多个探测线圈的实际端口电压；转速检测装置，用于检测永磁同步电机的运行转速；处理器，连接电压检测装置和转速检测装置，用于对于第一个或多个探测线圈中的每一个，计算该探测线圈的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值；对于一个或多个探测线圈中的每一个，根据该探测线圈的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值，计算该探测线圈的在线监测值，其中，该探测线圈的在线监测值为该探测线圈的实际端口电压中的所有预定谐波分量的总有效值；对于一个或多个探测线圈中的每一个，将该探测线圈的在线监测值与该探测线圈的、与运行转速相对应的报警值相比较，以获得该探测线圈的比较结果；以及根据一个或多个探测线圈的比较结果，确定永磁同步电机是否发生转子失磁故障。示例性地，电压检测装置是数字示波器。根据本发明实施例的用于监测永磁电机转子失磁故障的方法和系统，利用新型探测线圈实时监测永磁电机转子失磁故障。本发明提出的监测方法对永磁同步电机转子失磁故障具有很高的灵敏度和可靠性。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示出根据本发明一个实施例的用于监测永磁电机转子失磁故障的方法的示意性流程图；图2示出根据本发明一个实施例的监测永磁电机转子失磁故障的流程示意图；图3示出根据本发明一个实施例的探测线圈的布置方式；图4为600r/min低转速工况下，正常实验样机和转子失磁5％的实验样机中，1号探测线圈的端口电压；图5为600r/min低转速工况下，正常实验样机和转子失磁5％的实验样机中，2号探测线圈的端口电压；图6为1500r/min额定转速工况下，正常实验样机和转子失磁5％的实验样机中，1号探测线圈的端口电压；图7为1500r/min额定转速工况下，正常实验样机和转子失磁5％的实验样机中，2号探测线圈的端口电压；图8为分别针对600r/min低转速工况下正常实验样机和转子失磁5％的实验样机，利用tls-esprit+sa算法计算1号探测线圈端口电压得到的结果还原后与原信号进行对比的示意图；图9为分别针对600r/min低转速工况下正常实验样机和转子失磁5％的实验样机，利用tls-esprit+sa算法计算2号探测线圈端口电压得到的结果还原后与原信号进行对比的示意图；图10为分别针对1500r/min额定转速工况下正常实验样机和转子失磁5％的实验样机，利用tls-esprit+sa算法计算1号探测线圈端口电压得到的结果还原后与原信号进行对比的示意图；图11为分别针对1500r/min额定转速工况下正常实验样机和转子失磁5％的实验样机，利用tls-esprit+sa算法计算2号探测线圈端口电压得到的结果还原后与原信号进行对比的示意图；以及图12示出根据本发明一个实施例的永磁同步电机以及用于监测永磁电机转子失磁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。为了解决上文所述的问题，本发明实施例提供一种用于监测永磁电机转子失磁故障的方法和系统。本发明实施例提供的用于监测永磁电机转子失磁故障的方法基于采用目前提出的同时反映发电机定子和转子内部短路的探测线圈布置方法所布置的新型探测线圈。所述探测线圈布置方法包括以下步骤：步骤(1)，按下式计算每极每相槽数q：其中，z为定子槽数，p为极对数，n和d为不可约的整数；步骤(2)，判断q是否为整数：若q为整数，则执行步骤(3)，若q非整数，则执行步骤(4)；步骤(3)，判断定子每相绕组的正绕线圈和反绕线圈的个数是否相同：若相同，则探测线圈由两组相距为π电角度的短距线圈正向串联组成，若不相同，则探测线圈为一个节距为2τ的线圈，其中τ为发电机的极距，或由两组相距为2π电角度的短距线圈反向串联组成；步骤(4)，按下式计算单元电机数t：当每极每相槽数q的分母d为偶数时，当每极每相槽数q的分母d为奇数时，步骤(5)，判断定子每相绕组的正绕线圈和反绕线圈的个数是否相同：若相同，则探测线圈由两组相距为pπ/t电角度的短距线圈正向串联组成，若不相同，则探测线圈由一个节距为2pτ/t的线圈构成，或由两组相距为2pπ/t电角度的短距线圈反向串联组成。上述探测线圈根据电机极对数及定子绕组分布和联接方式而采用特殊的布置方式。理论上，在电机正常运行时这种探测线圈的端口电压为0；而一旦气隙磁场出现不对称性的畸变时，该探测线圈的端口会出现具有特定周期的交流电压。如果在永磁同步电机内安装这种新型探测线圈，从理论上来说，在电机正常运行时(比如正常额定工况)，对称的气隙磁场在探测线圈中不会产生端口电压；而当电机发生转子失磁故障时，每极下磁场分布情况不再相同(所有极下永磁体失磁程度完全相同的概率非常小)，气隙磁场中除基波外，1对极电机还会出现2次、4次等偶数次谐波，多对极电机还会出现1/p(p为电机的极对数)次、2/p次等分数次谐波，这些故障附加谐波磁场会在探测线圈中感应出相应次数的谐波感应电动势。因此，可以将探测线圈端口电压中的不同分数次谐波(包含1/p次等分数次谐波)作为永磁同步电机转子失磁的故障特征量。不过，需理解的是，永磁同步电机正常运行时，尽管探测线圈端口电压的理论值等于0，但由于电机自身的制造误差等原因，探测线圈端口一般仍存在固有的交流电压，因此，需要对失磁故障引起的端口电压与正常运行工况下的端口固有电压进行区分。本发明的目的是准确提取探测线圈端口电压中的永磁转子失磁故障特征量，并由此为永磁同步电机提供一种转子失磁故障在线监测方案。下面，将参考图1描述根据本发明实施例的用于监测永磁电机转子失磁故障的方法。图1示出根据本发明一个实施例的用于监测永磁电机转子失磁故障的方法100的示意性流程图。如图1所示，用于监测永磁电机转子失磁故障的方法100包括以下步骤。在步骤s110，检测布置于永磁同步电机内的一个或多个探测线圈的实际端口电压以及永磁同步电机的运行转速。本文所述的探测线圈的实际端口电压是指在永磁同步电机实际运行时(在故障监测时期内)探测线圈的端口电压。本文描述的故障监测针对在内部安装了上述探测线圈的永磁同步电机。在永磁同步电机内安装探测线圈时，为了布置合适的探测线圈，可以首先确定永磁同步电机的参数：定子槽数z，极对数p。随后，可以根据电机的参数，按照上述探测线圈布置方法，在永磁同步电机的定子槽楔处布置探测线圈。参考上文描述的探测线圈布置方法，可知探测线圈可能具有不同的结构：(1)整数槽绕组电机中，探测线圈由两个相距为1极的短距线圈正向串联组成；(2)多对极整数槽绕组电机中(极对数p≥2)，探测线圈为一个跨距1对极的线圈；(3)分数槽绕组电机中，探测线圈由两个相距为pπ/t电角度的短距线圈正向串联组成(t为该电机的单元电机数目)。由上可知，探测线圈可能由一个线圈构成，也可能由两个线圈(短距线圈)串联构成。无论探测线圈内部结构如何，对于一个探测线圈来说，其可以具有一个端口。将探测线圈的两端引出至外部面板，可以监测该探测线圈的端口电压。对于永磁同步电机来说，可以在其内部同时布置一个或多个探测线圈，不同探测线圈之间相互独立，可以分别监测每个探测线圈的端口电压。图2示出根据本发明一个实施例的监测永磁电机转子失磁故障的流程示意图。参考图2，当永磁同步电机实际运行时，可以利用数字示波器等采集装置实时采集布置于其上的探测线圈中的每个探测线圈的端口电压ud以及永磁同步电机的运行转速n，并且可以将采集到的数据存储为数字文件。在步骤s120，对于一个或多个探测线圈中的每一个，计算该探测线圈的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值。示例性地，对于一个或多个探测线圈中的每一个，可以结合总体最小二乘旋转不变子空间(tls-esprit)算法和模拟退火(sa)算法来计算该线圈的实际端口电压ud中的预定谐波分量的有效值。预定谐波分量(即故障特征谐波或说故障特征量)具体包括哪些分量，主要根据电机的极对数而确定，下文将描述预定谐波分量的一些实施例。继续参考图2，在信号采集之后，利用tls-esprit+sa算法计算实际端口电压ud中的预定谐波分量的有效值。提取转子失磁故障引起的探测线圈端口电压中的预定谐波分量需要考虑以下问题：永磁同步电机在运行过程中突加突减负载或者发生故障时，转速会出现波动，探测线圈端口电压中谐波分量的频率也随转速而变化，但探测线圈端口电压的采样频率是固定不变的，在这种情况下如何才能准确提取端口电压中的预定谐波分量。提取周期性信号中特定频率分量的传统方法是快速傅里叶变换(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fs应为信号频率f的整数倍，且采样频率fs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，在探测线圈端口电压中谐波分量的频率往往随转速波动而变化的情况下，很难对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方法(tls-esprit)结合模拟退火(sa)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s130，对于一个或多个探测线圈中的每一个，根据该探测线圈的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值，计算该探测线圈的在线监测值，其中，该探测线圈的在线监测值为该探测线圈的实际端口电压中的所有预定谐波分量的总有效值。示例性地，步骤s130可以包括：对于一个或多个探测线圈中的每一个，根据以下公式计算该探测线圈的在线监测值ud_op：其中，ui表示i次谐波分量的有效值，并且其中，当永磁同步电机的极对数p＝1时，i＝2,4,6；当极对数p≥2时，并且i只取分数。根据上述公式可知，预定谐波分量应该根据极对数而定，针对不同的极对数提取不同的故障特征谐波。需注意的是，对于多对极电机(极对数p≥2)，i只取分数。例如，当极对数p＝2时，又例如，当极对数p＝3时，继续参考图2，根据实际端口电压ud中的预定谐波分量的有效值计算探测线圈的在线监测值ud_op。随后，可以根据在线监测值ud_op进行故障判断。在步骤s140，对于一个或多个探测线圈中的每一个，将该探测线圈的在线监测值与该探测线圈的、与运行转速相对应的报警值相比较，以获得该探测线圈的比较结果。对于每个探测线圈来说，可以设定该探测线圈的、与各种不同转速相对应的报警值。当确定永磁同步电机的运行转速之后，可以找出每个探测线圈的、与该运行转速相对应的报警值。随后，将各探测线圈的在线监测值ud_op与对应的报警值进行对比。在步骤s150，根据一个或多个探测线圈的比较结果，确定永磁同步电机是否发生转子失磁故障。示例性地，步骤s150可以包括：如果指示对应探测线圈的在线监测值高于该对应线圈的、与运行转速相对应的报警值的比较结果的数目大于或等于预定数目，则确定永磁同步电机发生转子失磁故障。示例性地，预定数目可以等于1。例如，在探测线圈的数目等于1的情况下，如果该探测线圈的比较结果指示该探测线圈的在线监测值ud_op高于报警值ud_alarm，则确定永磁同步电机发生转子失磁故障。在一个示例中，在探测线圈的数目等于2的情况下，可以规定如果任何一个探测线圈的比较结果指示对应探测线圈的在线监测值ud_op高于该探测线圈对应的报警值ud_alarm，则确定永磁同步电机发生转子失磁故障。在另一个示例中，在探测线圈的数目等于2的情况下，可以规定两个探测线圈的比较结果均指示对应探测线圈的在线监测值ud_op高于该探测线圈对应的报警值ud_alarm，才确定永磁同步电机发生转子失磁故障。根据本发明实施例的用于监测永磁电机转子失磁故障的方法，利用新型探测线圈实时监测永磁电机转子失磁故障。在一台六相整流永磁同步电机实验样机上，带阻性负载工况下进行了转子失磁5％的实测实验。通过对实验数据计算与分析发现，本发明提出的监测方法对永磁同步电机转子失磁故障具有很高的灵敏度和可靠性。根据本发明实施例，方法100还可以包括：在确定永磁同步电机发生转子失磁故障的情况下，输出报警信息。报警信息可以是任何能够指示永磁同步电机发生转子失磁故障的信息。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转子失磁故障，以提示工作人员对电机进行检修。根据本发明实施例，方法100还可以包括：当永磁同步电机在正常额定工况下运行时，检测一个或多个探测线圈的端口电压；对于一个或多个探测线圈中的每一个，计算在正常额定工况下该探测线圈的端口电压中的预定谐波分量的有效值；根据在正常额定工况下该探测线圈的端口电压中的预定谐波分量的有效值，计算该探测线圈的预先监测值，其中，该探测线圈的预先监测值为在正常额定工况下该探测线圈的端口电压中的所有预定谐波分量的总有效值；以及根据该探测线圈的预先监测值计算该探测线圈的、与运行转速相对应的报警值。根据本发明实施例，对于一个或多个探测线圈中的每一个，根据该探测线圈的预先监测值计算该探测线圈的、与运行转速相对应的报警值可以包括：对于一个或多个探测线圈中的每一个，根据以下公式计算该探测线圈的、与运行转速相对应的报警值ud_alarm：其中，uop_normal为该探测线圈的预先监测值，n为运行转速，nn为永磁同步电机的额定转速，ktol为可靠裕度。ktol通常取1.2＜ktol＜3，本发明实施例中都取ktol＝2。在一个示例中，可以在电机实际运行之前根据上述报警值ud_alarm的计算公式计算每个探测线圈对应于不同转速的报警值，将转速与报警值的对应关系形成数据信息存储起来。在电机实际运行时，从存储的数据中查找与电机的运行转速相对应的报警值。在另一示例中，可以在电机实际运行时，在检测到电机的运行转速之后再根据上述报警值ud_alarm的计算公式计算每个探测线圈的、与运行转速相对应的报警值。下面描述包括正常额定工况下端口电压采集以及报警值设定步骤在内的用于监测永磁电机转子失磁故障的方法的示例性流程。(1)利用数字示波器等采集装置预采集数据：预采集当永磁同步电机运行在正常额定工况下(电机额定转速为nn)时探测线圈的端口电压ud_normal，将端口电压的采样时刻、采样值储存为数字文件。(2)对预采集的正常额定工况探测线圈端口电压利用tls-esprit+sa算法计算得到采样信号中主要频率分量的频率、有效值和相角。假设探测线圈端口电压ud_normal的采样信号为x(n)，n＝1,2,…,n(n为采样点总数)。已知x(n)中主要包含p种频率分量。利用采样获得的n点采样数据可构造数据矩阵x(m×q矩阵)：式中，m为阵元数，q为快拍数，要保证m＞2p，q＞2p，且m+q＝n。利用采样获得的n点采样数据还可构造数据矩阵y(m×q矩阵)：在式(1)和式(2)中，x1,x2,…,xq+1为m个阵元接受q+1次数据的m维列向量。根据本发明实施例，可以首先利用总体最小二乘——旋转不变子空间算法(totalleastsquares-estimationofsignalparametersviarotationalinvariancetechnique，简写为tls-esprit)估算采样信号中p种主要分量的频率。tls-esprit算法具体步骤如下：a.将式(1)和(2)两个矩阵合并，得：式中，z为2m×q矩阵。b.求矩阵z的自相关矩阵rz(rz为2m阶方阵)，并对其进行特征值分解，得：rz＝vλvt(4)式中，λ为2m阶对角阵(对角线元素是rz的2m个特征根)，v为2m阶方阵(每列为对应特征根的特征向量)。c.取出矩阵v的前2p列，定义为矩阵vs(2m×2p矩阵)，vs可以表示成：其中，vs1,vs2都为m×2p矩阵。d.定义矩阵：vs12＝[vs1vs2](6)式中，vs12为m×4p矩阵。e.对式(6)进行广义特征值分解，得：式中，矩阵u为4p阶方阵，矩阵λv为4p阶对角阵。f.将矩阵u分为四个2p阶方阵u11、u12、u21和u22，即：g.定义2p阶方阵ψtls：h.对ψtls矩阵进行特征值分解，得到其特征值λi(λi为复数，i＝1,2,…,2p)。i.根据特征值λi(i＝1,2,…,2p)得到：式中，re(λi)，im(λi)分别表示λi的实部和虚部，i＝1,2,…,2p。j.由于采样信号x(n)是实数正弦信号，步骤h求出的特征根都是成对复数，所以步骤i求解出的fi′(i＝1,2,…,2p)中正值和负值各有p个。取出fi′(i＝1,2,…,2p)中p个正值fk(k＝1,2,…,p)，即为采样信号x(n)中p个主要频率分量的频率值。得到各频率分量fk后，再利用sa算法(模拟退火算法)计算采样信号中频率为fk的交流分量的幅值ak和初相角k＝1,2,…,p。将采样信号x(n)视为：式中，ak、fk和分别是第k个交流(余弦)分量的幅值、频率和初相角；ts为采样周期。根据正弦函数运算公式，将式(11)转化为式(12)：构造矩阵y、z(都为p×n矩阵)如下：由p个不同频率的交流分量的幅值和相角，分别构成向量α1和α2(p维行向量)如下：α1＝[a1a2…ap](15)其中，元素ak和的取值范围为随后根据p个不同频率的交流分量的余弦分量幅值与正弦分量幅值，得到向量β1和β2(p维行向量)如下：将行向量β1和β2合并，得到2p维状态向量β＝[β1β2]。利用sa算法计算采样信号x(n)中p种已知频率(f1,f2,…,fp)交流分量的幅值和相位的具体步骤如下：(a)根据式(12)～(18)构造目标函数，得：f(β)＝[β1y-β2z-x]·[β1y-β2z-x]t(19)式中，x为n维行向量[x(1)x(2)…x(n)]；(b)参数初始化：设定参数t的初值为100；参数t及其它迭代参数的衰减常数γ＝0.95；在参数t缓慢减小的过程中，同一数值的参数t，迭代次数l＝1000；随机产生两个p维行向量α10和α20(α10(k)＞0,-π≤α20(k)≤π,k＝1,2,…,p)作为α1和α2的初值，令α1＝α10、α2＝α20；设置步长因子s＝0.001；y和z中的fk(k＝1,2,…,p)由上述tls-esprit算法计算出的频率值给定；给定迭代精度ε＝1e-8；(c)根据向量α1和α2计算出目标函数的值f(β)；(d)对向量α1和α2进行随机扰动，产生向量α1′和α2′，即α1′＝α1+s·r1和α2′＝α2+s·r2(其中r1,r2为两个p维行向量，每个元素为在-1～1之间的随机实数)，且α1′(k)＞0,-π≤α2′(k)≤π,k＝1,2,…,p，否则重新对向量α1和α2进行随机扰动而产生向量α1′和α2′，直到向量α1′和α2′中每个元素都满足上述取值范围之内。(e)根据向量α1′和α2′计算出目标函数的值f(β′)；(f)计算目标函数增量δf＝f(β′)-f(β)；(g)当|δf|≤ε时，终止迭代计算；当|δf|＞ε时，如果e-δf/t≤γ，那么不改变向量α1和α2的值，否则令α1＝α1′、α2＝α2′；(h)在同一参数t下，重复(c)～(g)过程，经过l步迭代后，令t＝γt(即缓慢减小参数t的值)；(i)当t减小一次，重复(c)～(h)过程，直到满足终止条件|δf|≤ε或t＜10-3。通过以上方法，可以由最终的向量α1和α2得到采样信号中各种频率分量的幅值(及有效值)和初相位值。(3)对于极对数p＝1的永磁同步电机，在正常额定工况下探测线圈的端口电压中的所有预定谐波分量的总有效值(即预先监测值)其中u2、u4和u6为步骤(2)得到的电机在正常额定工况下运行时探测线圈端口电压ud_normal中包含的2、4和6次等偶数次谐波分量的有效值；对于极对数p≥2的永磁同步电机，每个探测线圈的预先监测值其中u1/p、u2/p、…、u(3p-1)/p为步骤(2)得到的电机在正常额定工况下运行时探测线圈端口电压ud_normal中等分数次谐波分量的有效值；(4)由式(其中ktol为可靠裕度，通常取1.2＜ktol＜3，本发明实施例中都取ktol＝2)，确定电机在各种转速n下的报警值ud_alarm；(5)永磁同步电机实际运行时，可以实时采集探测线圈的端口电压(即实际端口电压)ud以及电机运行转速n并储存为数字文件；(6)利用tls-esprit+sa算法处理步骤(5)中采集到的探测线圈的端口电压ud，得到各主要谐波分量的有效值，计算实际端口电压中的所有预定谐波分量的总有效值作为在线监测值(其中，当极对数p＝1时，i＝2,4,6；当极对数p≥2时，只取分数)；(7)当计算得到的在线监测值ud_op高于运行转速n对应的报警值ud_alarm时，发出指示转子失磁故障的警报，提示工作人员对电机进行检修。总的来说，首先实测永磁同步电机运行在正常额定工况下时探测线圈的端口电压，利用tls-esprit+sa算法对采集到的端口电压进行预处理，确定各种转速下的报警值；在电机实际运行中，实时监测电机转速及探测线圈的实际端口电压，并利用tls-esprit+sa算法提取出转子失磁故障的特征谐波，实时得到在线监测值，当在线监测值高于相应转速对应的报警值时，可以发出转子失磁故障警报。下面结合具体示例描述tls-esprit+sa算法的优势。如上文所述，电机运行中发生故障时，转速会出现波动，导致探测线圈端口电压的频率出现波动。在一般情况下，对信号采样都是以固定频率采样(即对信号进行非同步采样)。用式(20)中的理想周期信号对tls-esprit+sa算法进行检验，采样频率取为5khz。令式(20)中的f1＝24.75hz、f2＝74.25hz、f3＝123.75hz、f4＝173.25hz，a1＝1、a2＝1.5、a3＝0.8、a4＝0.5，以此模拟一个两对极永磁同步电机运行在工频f＝50hz的工况下发生转子失磁故障后、转速下降了0.25％的情况。分别应用tls-esprit+sa算法和传统的fft方法对式(20)的信号进行处理，数据长度分别选择0.2s和0.18s的计算结果如表1和表2所示(由于在故障判据中不需要相位信息，故此处不列举相角的计算结果)。该例中应用tls-esprit算法时，阵元数取为采样点总数的一半，即(n为采样点总数)。表1.数据长度为0.2s时计算结果对比(频率单位：hz)参数真实值tls-esprit+safftf124.7524.7525a110.9999980.992939f274.2574.2575a21.51.5002421.40543f3123.75123.75125a30.80.8001420.715384f4173.25173.25175a40.50.4998990.423714表2.数据长度为0.18s时计算结果对比(频率单位：hz)由表1和表2可以看出，tls-esprit+sa算法较传统fft方法具有明显的优势。利用传统fft方法处理电机故障信号，当选择数据长度为信号实际周期的整数倍时，能准确计算出各种交流分量的频率、幅值和相角，但这种做法意味着假设电机故障后信号频率没有波动。这个示例中利用fft方法处理式(20)的周期信号，当数据长度取为0.2s时，由于是信号实际周期的4.95倍，所以频率和幅值的计算结果都出现误差，特别是幅值的误差较大；当数据长度取为0.18s时，由于是信号实际周期的4.455倍、与整周期相差更大，造成了更大的计算误差，在真实频率附近计算出了两个幅值较大的频率，已经无法分辨出信号中各频率分量的真实频率。本发明实施例中采用tls-esprit+sa算法，不要求处理的数据长度是信号周期的整数倍，无论信号数据长度选为0.2s还是0.18s，都能准确计算出信号中各种分量的频率和幅值，所以提取探测线圈端口电压中特定频率的故障特征量比传统fft方法更准确，能构成更准确、实用的转子失磁故障在线监测方法。下面结合具体的示例，进一步描述本发明实施的永磁电机转子失磁故障监测方法。以一台六相整流永磁同步电机实验样机的实测数据，说明监测永磁电机转子失磁故障的方法，该实验样机的基本参数如表3所示。表3.实验样机基本参数额定功率4kw额定转速1500r/min额定频率50hz极对数2相数6定子槽数48利用上文描述的探测线圈布置方法，在这台六相整流永磁同步电机实验样机的定子槽楔处布置探测线圈，其探测线圈的布置方式如图3所示。将本发明实施例提供的用于监测永磁电机转子失磁故障的方法应用到该实验样机上，具体步骤如下：(1)确定这台实验样机的基本参数：极对数p＝2，定子槽数z＝48；(2)根据实验样机的参数，按照上述探测线圈布置方法，在实验样机定子槽楔处布置两个节距为1对极的探测线圈；(3)利用数字示波器等采集装置，在实验样机正常额定运行(转速nn＝1500r/mi)n时预采集两个探测线圈的端口电压ud1_normal和ud2_normal，将采样时刻、采样值储存为数字文件；(4)用tls-esprit+sa算法，对两个探测线圈的端口电压ud1_normal和ud2_normal的采样数据进行预处理，得到信号中1/2、3/2和5/2次谐波分量的有效值u1/2、u3/2和u5/2；(5)利用式分别计算这台样机正常额定运行时两个探测线圈的端口电压中的预定谐波分量的总有效值uop1_normal和uop2_normal，作为各自的预先监测值；(6)利用式(取ktol＝2)，得到样机运行在各种转速n下发生转子失磁故障时两个探测线圈对应的报警值ud1_alarm和ud2_alarm；(7)实验样机实际运行时，实时采集两个探测线圈的实际端口电压ud1、ud2以及实验样机的转速n′并储存为数字文件；(8)用tls-esprit+sa算法处理第(7)步中采集到的实际端口电压ud1和ud2，得到1/2、3/2和5/2次谐波分量的有效值u1/2、u3/2和u5/2，利用式分别计算得到两个探测线圈的实际端口电压中的预定谐波分量的总有效值ud1_op和ud2_op，作为各自的在线监测值；(9)当计算得到的在线监测值ud1_op高于转速n′对应的报警值ud1_alarm，或者ud2_op高于转速n′对应的报警值ud2_alarm时，发出转子失磁故障警报，提示工作人员对电机进行检修。分别对正常实验样机和更换为失磁5％转子的实验样机，在600r/min和1500r/min这两种转速下，采集了两个探测线圈(1号和2号)的端口电压，波形如图4～7所示。图4为600r/min低转速工况下，正常实验样机和转子失磁5％的实验样机中，1号探测线圈的端口电压(注：左侧对应正常实验样机，右侧对应转子失磁5％的实验样机，下同)；图5为600r/min低转速工况下，正常实验样机和转子失磁5％的实验样机中，2号探测线圈的端口电压；图6为1500r/min额定转速工况下，正常实验样机和转子失磁5％的实验样机中，1号探测线圈的端口电压；图7为1500r/min额定转速工况下，正常实验样机和转子失磁5％的实验样机中，2号探测线圈的端口电压。利用tls-esprit+sa算法计算得到这些电压信号中主要谐波分量的有效值，如表4和表5所示。表4.额定转速1500r/min工况下探测线圈端口电压的各种交流分量的有效值(单位：v)表5.低转速600r/min工况下探测线圈端口电压的各种交流分量的有效值(单位：v)此外，研究人员基于表4和表5所示的主要谐波分量的有效值，对各探测线圈端口电压信号进行还原之后，与原始端口电压信号进行了对比。对比情况如图8-11所示。图8为分别针对600r/min低转速工况下正常实验样机和转子失磁5％的实验样机，利用tls-esprit+sa算法计算1号探测线圈端口电压得到的结果还原后与原信号进行对比的示意图(注：左侧对应正常实验样机，右侧对应转子失磁5％的实验样机，下同)；图9为分别针对600r/min低转速工况下正常实验样机和转子失磁5％的实验样机，利用tls-esprit+sa算法计算2号探测线圈端口电压得到的结果还原后与原信号进行对比的示意图；图10为分别针对1500r/min额定转速工况下正常实验样机和转子失磁5％的实验样机，利用tls-esprit+sa算法计算1号探测线圈端口电压得到的结果还原后与原信号进行对比的示意图；图11为分别针对1500r/min额定转速工况下正常实验样机和转子失磁5％的实验样机，利用tls-esprit+sa算法计算2号探测线圈端口电压得到的结果还原后与原信号进行对比的示意图。结果表明，无论电机正常还是更换失磁5％的故障转子后，还原的端口电压波形与原始端口电压波形都几乎完全重合，说明采用tls-esprit+sa算法提取永磁同步电机转子失磁故障特征量的可行性和准确性。从表4(对应额定转速1500r/min)对应正常运行的列中，提取出1/2次、3/2次和5/2次谐波的有效值，代入步骤(5)中的公式得到实验样机正常额定运行时1号探测线圈的预先监测值uop1_normal＝0.007998v和2号探测线圈的预先监测值uop2_normal＝0.007868v；根据步骤(6)中的公式得到实验样机运行在1500r/min工况时1号和2号探测线圈端口电压的报警值分别为和ud2_alarm＝0.015736v，以及运行在600r/min工况时1号和2号探测线圈端口电压的报警值分别为和ud2_alarm＝0.006294v。而从表4和表5对应转子失磁5％的列中提取1/2次、3/2次和5/2次谐波的有效值，并代入步骤(8)中的公式可得到1500r/min(表4)和600r/min(表5)工况下，转子失磁5％故障引起的两个探测线圈端口电压的在线监测值，并计算得到监测灵敏度(监测灵敏度＝在线监测值/报警值)，其结果如表6所示。表6.1500r/min和600r/min两种工况下，实验样机在不同情况下(正常运行与转子失磁)的报警值、在线监测值以及监测灵敏度由表6可以看出，根据步骤(6)中公式设定的报警值，都大于电机正常运行时在线监测值的1.6倍，故电机正常运行不会误报警。当实验样机发生转子失磁5％故障时，无论电机运行在额定转速还是低速，监测灵敏度都高于12，该监测方法对转子失磁故障具有非常高的灵敏度。通过以上计算和分析，说明了本发明实施例提出的、利用特殊探测线圈端口电压中故障谐波分量总有效值的在线监测方法，对永磁同步电机转子失磁故障具有很高的灵敏度，并且电机正常运行时不会误报警，保证了监测方法的可靠性。根据本发明另一方面，提供一种用于监测永磁电机转子失磁故障的系统。图12示出根据本发明一个实施例的永磁同步电机1210以及用于监测永磁电机转子失磁故障的系统1220的示意性框图。如图12所示，系统1220包括一个或多个探测线圈1221(图12示意性地示出了一个探测线圈1221)、电压检测装置1222、转速检测装置1223和处理器1224。探测线圈1221布置于永磁同步电机1210内部。探测线圈1221可以利用上文描述的探测线圈布置方法安装于永磁同步电机1210内部，并且可以将探测线圈1221的线圈首、末端引出以供监测。电压检测装置1222用于检测一个或多个探测线圈1221的实际端口电压。电压检测装置1222可以是任何能够(实时)检测电压的装置，包括但不限于上文所述的数字示波器。转速检测装置1223用于检测永磁同步电机1210的运行转速。转速检测装置1223可以是任何能够检测电机转速的装置，例如转速仪、旋转编码器等。处理器1224连接电压检测装置1222和转速检测装置1223，用于对于一个或多个探测线圈1221中的每一个，计算该探测线圈1221的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值；对于一个或多个探测线圈1221中的每一个，根据该探测线圈1221的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值，计算该探测线圈1221的在线监测值，其中，该探测线圈1221的在线监测值为该探测线圈1221的实际端口电压中的所有预定谐波分量的总有效值；以及对于一个或多个探测线圈1221中的每一个，将该探测线圈1221的在线监测值与该探测线圈1221的、与运行转速相对应的报警值相比较，以获得该探测线圈1221的比较结果；以及根据一个或多个探测线圈1221的比较结果，确定永磁同步电机是否发生转子失磁故障。处理器1224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1220中的其它组件以执行期望的功能。处理器1224与电压检测装置1222和转速检测装置1223中的任何一者之间的连接可以是直接或间接连接。例如，处理器1224可以通过数据传输线与电压检测装置1222和转速检测装置1223中的任何一者连接，也可以通过无线方式(即网络)与电压检测装置1222和转速检测装置1223中的任何一者连接。上文已经结合图1-11描述了用于监测永磁电机转子失磁故障的方法100的实施方式，本领域技术人员可以根据上文描述理解系统1220中的探测线圈1221、电压检测装置1222、转速检测装置1223和处理器1224的结构和工作原理，此处不再赘述。根据本发明实施例，处理器1224可以通过以下方式确定永磁同步电机1210是否发生转子失磁故障：如果指示对应探测线圈1221的在线监测值高于该对应探测线圈1221的、与运行转速相对应的报警值的比较结果的数目大于或等于预定数目，则确定永磁同步电机1210发生转子失磁故障。根据本发明实施例，预定数目等于1。根据本发明实施例，电压检测装置1222还可以用于当永磁同步电机1210在正常额定工况下运行时，检测一个或多个探测线圈1221的端口电压；处理器1224还可以用于对于一个或多个探测线圈1221中的每一个，计算在正常额定工况下该探测线圈1221的端口电压中的预定谐波分量的有效值；根据在正常额定工况下该探测线圈1221的端口电压中的预定谐波分量的有效值，计算该探测线圈1221的预先监测值，其中，该探测线圈1221的预先监测值为在正常额定工况下该探测线圈1221的端口电压中的所有预定谐波分量的总有效值；以及根据该探测线圈1221的预先监测值计算该探测线圈1221的、与运行转速相对应的报警值。根据本发明实施例，处理器1224可以通过以下方式根据该探测线圈1221的预先监测值计算该探测线圈1221的、与运行转速相对应的报警值：对于一个或多个探测线圈1221中的每一个，根据以下公式计算该探测线圈1221的、与运行转速相对应的报警值ud_alarm：其中，uop_normal为该探测线圈1221的预先监测值，n为运行转速，nn为永磁同步电机1210的额定转速，ktol为可靠裕度。根据本发明实施例，处理器1224可以通过以下方式、根据该探测线圈1221的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值，计算该探测线圈1221的在线监测值：对于一个或多个探测线圈1221中的每一个，根据以下公式计算该探测线圈1221的在线监测值ud_op：其中，ui表示i次谐波分量的有效值，并且其中，当永磁同步电机1210的极对数p＝1时，i＝2,4,6；当极对数p≥2时，并且i只取分数。根据本发明实施例，处理器1224可以通过以下方式计算该探测线圈1221的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值：对于一个或多个探测线圈1221中的每一个，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该探测线圈1221的实际端口电压中的预定谐波分量的有效值。根据本发明实施例，系统1220还可以包括：输出装置(未示出)，用于在确定永磁同步电机1210发生转子失磁故障的情况下，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。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监测永磁电机转子失磁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。当前第1页12