多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法

1.本技术涉及电力系统设备继电保护技术领域，特别涉及一种多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法。


背景技术：

2.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，但当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。永磁同步电机一旦发生不可逆的失磁故障，会严重影响电机的带载能力，而且长期故障运行还会因出现(多分支的)电枢电流增大引起发热、平均转矩减小而脉动转矩增大、机械振动加剧等不良影响，严重时甚至会烧毁永磁同步电机。
3.永磁同步电机失磁故障主要有两种类型：均匀失磁故障和局部失磁故障，其中前者指电机所有极下永磁体都发生了失磁故障且失磁程度都一样，这在电机实际运行中的发生概率非常小；更常见的是局部失磁故障，仅部分磁极发生了退磁，而且往往是从1极开始退磁，如果及早发现并进行停机检修，能避免失磁故障扩大到其它极的不可逆式严重后果。
4.相关技术中，提出一种同时反应发电机定子和转子内部短路的探测线圈布置方法，提出了一种新型探测线圈，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，探测线圈端口会出现具有特定周期的交流电压。
5.如果在多对极永磁同步电机内安装上述新型探测线圈，电机正常运行工况下，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，(所有极下永磁体失磁程度完全相同的概率非常小)每极下磁场分布情况不再相同，气隙磁场中除基波外，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。
6.相关技术还提出一种用于监测永磁同步电机转子失磁故障的方法和系统，采用上述新型探测线圈可在线检测永磁同步电机的局部失磁故障。
7.考虑到舰船上使用的永磁推进电机转速较低、极数较多，因此如何对失磁故障极进行定位，有效减少停机检测与维修时间，亟待解决。


技术实现要素：

8.本技术提供一种多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法，以解决电机长期失磁运行导致故障恶化的问题，提升多极永磁同步电机的失磁故障修复效率，提高永磁同步电机运行的安全可靠性。
9.本技术第一方面实施例提供一种多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法，所述永磁同步电机内设置有至少一个探测线圈，其中，所述方法包括以下步骤：
10.采集所述至少一个探测线圈的多个端口电压和所述永磁同步电机的多个转子位置信号；
11.根据所述多个端口电压计算失磁故障监测量，且根据所述多个转子位置信号计算失磁故障报警值，并根据所述失磁故障监测量和所述失磁故障报警值的比值得到失磁故障监测的灵敏度；以及
12.在所述失磁故障监测的灵敏度满足预设失磁条件时，从预设的多个工频周期中提取第一分数次谐波瞬时值和第二分数次谐波瞬时值，并根据所述第一分数次谐波瞬时值和所述第二分数次谐波瞬时值得到所述永磁同步电机参考磁极中心线领先所述至少一个探测线圈中心线的机械角度，并根据所述机械角度进行故障磁极定位。
13.根据本技术的一个实施例，所述根据所述多个端口电压计算失磁故障监测量，且根据所述多个转子位置信号计算失磁故障报警值，包括：
14.根据所述多个端口电压得到端口电压的多个分数次谐波电压有效值，并根据所述多个转子位置信号计算所述永磁同步电机的实际转速；
15.根据所述端口电压的多个分数次谐波电压有效值计算失磁故障监测量，并根据所述实际转速计算所述失磁故障报警值。
16.根据本技术的一个实施例，所述失磁故障监测量的计算公式为：
[0017][0018]
其中，k为自然数，n为自然数集，p为极对数，为所述端口电压中的k/p次谐波电压有效值；
[0019]
所述失磁故障报警值的计算公式为：
[0020][0021]
其中，k
tol
为失磁故障监测的可靠系数，n为永磁同步电机的实际转速，u
d_normal
为(校准参数过程中)电机正常运行时探测线圈端口固有电压总有效值，n
normal
为u
d_normal
对应的电机转速。
[0022]
根据本技术的一个实施例，在所述失磁故障监测的灵敏度满足所述预设失磁条件之后，还包括：
[0023]
生成失磁故障报警信号，并根据所述失磁故障报警信号进行失磁故障报警。
[0024]
根据本技术的一个实施例，所述根据所述第一分数次谐波瞬时值和所述第二分数次谐波瞬时值得到所述永磁同步电机参考磁极中心线领先所述至少一个探测线圈中心线的机械角度，包括：
[0025]
获取所述第一分数次谐波瞬时值和所述第二分数次谐波瞬时值相等且导数符号相同的目标时刻；
[0026]
根据所述目标时刻对应的转子位置信号得到所述永磁同步电机参考磁极中心线
领先所述至少一个探测线圈中心线的机械角度。
[0027]
根据本技术的一个实施例，所述根据所述机械角度进行故障磁极定位，包括：
[0028]
根据所述机械角度定位发生失磁的故障磁极编号；
[0029]
根据所述故障磁极编号进行故障磁极定位。
[0030]
根据本技术的一个实施例，所述根据所述机械角度定位发生失磁的故障磁极编号，包括：
[0031]
基于预设的故障极定位公式，根据所述机械角度定位发生失磁的故障磁极编号，其中，所述预设的故障极定位公式为：
[0032][0033]
其中，θ为转子位置信号，i为参考磁极领先故障磁极的极数。
[0034]
根据本身请实施例提出的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法，其中，永磁同步电机内设置有至少一个探测线圈，通过根据至少一个探测线圈的多个端口电压计算失磁故障监测量，和永磁同步电机的多个转子位置信号计算失磁故障报警值，并根据失磁故障监测量和失磁故障报警值的比值得到失磁故障监测的灵敏度，在灵敏度满足预设失磁条件时，根据从预设的多个工频周期中提取第一和第二分数次谐波瞬时值，得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度，并根据机械角度进行故障磁极定位。由此，解决了电机长期失磁运行导致故障恶化的问题，提升多极永磁同步电机的失磁故障修复效率，提高永磁同步电机运行的安全可靠性。
[0035]
本技术第二方面实施例提供一种多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位装置，所述永磁同步电机内设置有至少一个探测线圈，其中，所述装置包括：
[0036]
采集模块，用于采集所述至少一个探测线圈的多个端口电压和所述永磁同步电机的多个转子位置信号；
[0037]
计算模块，用于根据所述多个端口电压计算失磁故障监测量，且根据所述多个转子位置信号计算失磁故障报警值，并根据所述失磁故障监测量和所述失磁故障报警值的比值得到失磁故障监测的灵敏度；以及
[0038]
定位模块，用于在所述失磁故障监测的灵敏度满足预设失磁条件时，从预设的多个工频周期中提取第一分数次谐波瞬时值和第二分数次谐波瞬时值，并根据所述第一分数次谐波瞬时值和所述第二分数次谐波瞬时值得到所述永磁同步电机参考磁极中心线领先所述至少一个探测线圈中心线的机械角度，并根据所述机械角度进行故障磁极定位。
[0039]
根据本技术的一个实施例，所述计算模块，具体用于：
[0040]
根据所述多个端口电压得到端口电压的多个分数次谐波电压有效值，并根据所述多个转子位置信号计算所述永磁同步电机的实际转速；
[0041]
根据所述端口电压的多个分数次谐波电压有效值计算失磁故障监测量，并根据所述实际转速计算所述失磁故障报警值。
[0042]
根据本技术的一个实施例，所述失磁故障监测量的计算公式为：
[0043]
[0044]
其中，k为自然数，n为自然数集，p为极对数，为所述端口电压中的k/p次谐波电压有效值；
[0045]
所述失磁故障报警值的计算公式为：
[0046][0047]
其中，k
tol
为失磁故障监测的可靠系数，n为永磁同步电机的实际转速，u
d_normal
为(校准参数过程中)电机正常运行时探测线圈端口固有电压总有效值，n
normal
为u
d_normal
对应的电机转速。
[0048]
根据本技术的一个实施例，在所述失磁故障监测的灵敏度满足所述预设失磁条件之后，所述定位模块，还用于：
[0049]
生成失磁故障报警信号，并根据所述失磁故障报警信号进行失磁故障报警。
[0050]
根据本技术的一个实施例，所述定位模块，具体用于：
[0051]
获取所述第一分数次谐波瞬时值和所述第二分数次谐波瞬时值相等且导数符号相同的目标时刻；
[0052]
根据所述目标时刻对应的转子位置信号得到所述永磁同步电机参考磁极中心线领先所述至少一个探测线圈中心线的机械角度。
[0053]
根据本技术的一个实施例，所述定位模块，具体用于：
[0054]
根据所述机械角度定位发生失磁的故障磁极编号；
[0055]
根据所述故障磁极编号进行故障磁极定位。
[0056]
根据本技术的一个实施例，所述根据所述机械角度定位发生失磁的故障磁极编号，所述定位模块，具体用于：
[0057]
基于预设的故障极定位公式，根据所述机械角度定位发生失磁的故障磁极编号，其中，所述预设的故障极定位公式为：
[0058][0059]
其中，θ为转子位置信号，i为参考磁极领先故障磁极的极数。
[0060]
根据本身请实施例提出的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位装置，其中，永磁同步电机内设置有至少一个探测线圈，通过根据至少一个探测线圈的多个端口电压计算失磁故障监测量，和永磁同步电机的多个转子位置信号计算失磁故障报警值，并根据失磁故障监测量和失磁故障报警值的比值得到失磁故障监测的灵敏度，在灵敏度满足预设失磁条件时，根据从预设的多个工频周期中提取第一和第二分数次谐波瞬时值，得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度，并根据机械角度进行故障磁极定位。由此，解决了电机长期失磁运行导致故障恶化的问题，提升多极永磁同步电机的失磁故障修复效率提高永磁同步电机运行的安全可靠性。
[0061]
本技术第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法。
[0062]
本技术第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，
该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法。
[0063]
本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
[0064]
本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0065]
图1为根据本技术实施例提供的一种多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法的流程图；
[0066]
图2为根据本技术的一个实施例的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法的流程图；
[0067]
图3为根据本技术的一个实施例的转子产生的气隙圆周磁密分布的示意图；
[0068]
图4为根据本技术的一个实施例的1号探测线圈端口电压的仿真波形的示意图；
[0069]
图5为根据本技术的一个实施例的失磁极与定子相对位置的示意图；
[0070]
图6为根据本技术的一个实施例的各相内部分支不平衡电流的仿真波形的示意图；
[0071]
图7为根据本技术的一个实施例的各相不平衡电流频谱的示意图；
[0072]
图8为根据本技术的一个实施例的1号探测线圈端口电压的示意图；
[0073]
图9为根据本技术实施例的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位装置的方框示意图；
[0074]
图10为根据本技术实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0075]
下面详细描述本技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
[0076]
下面参考附图描述本技术实施例的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法。针对上述背景技术中提到的电机长期失磁运行导致故障恶化的问题，本技术提供了一种多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法，永磁同步电机内设置有至少一个探测线圈，在该方法中，通过根据至少一个探测线圈的多个端口电压计算失磁故障监测量，和永磁同步电机的多个转子位置信号计算失磁故障报警值，并根据失磁故障监测量和失磁故障报警值的比值得到失磁故障监测的灵敏度，在灵敏度满足预设失磁条件时，根据从预设的多个工频周期中提取第一和第二分数次谐波瞬时值，得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度，并根据机械角度进行故障磁极定位。由此，解决了电机长期失磁运行导致故障恶化的问题，提升多极永磁同步电机的失磁故障修复效率，提高永磁同步电机运行的安全可靠性。
[0077]
具体而言，图1为本技术实施例所提供的一种多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法的流程图。
[0078]
在介绍本技术实施例提出的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法之前，先介绍下本技术所采用的方案的原理。
[0079]
本技术是在检测出多对极永磁同步电机的转子失磁故障之后，根据探测线圈端口电压的各种分数次谐波电压，提取出失磁磁极与探测线圈之间的相对位置特征量，配合转子位置传感器输出的信号，实现对单一的失磁磁极的准确定位。
[0080]
需要说明的是，本技术实施例提出的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法适用于内部安装了新型探测线圈，并且安装了转子位置传感器的永磁同步电机。
[0081]
首先实测电机正常额定运行工况下的新型探测线圈端口固有电压，利用tls-esprit+sa算法对采集到的固有电压进行预处理，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端口电压信号，并利用tls-esprit+sa算法提取出转子失磁故障的特征谐波，实时得到监测值，当监测值高于相应转速对应的报警值时，发出转子失磁的故障警报，提示工作人员对电机进行检修，从而实现对永磁同步电机转子失磁故障的在线监测。
[0082]
如图1所示，该多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法，永磁同步电机内设置有至少一个探测线圈，其中，方法包括以下步骤：
[0083]
在步骤s101中，采集至少一个探测线圈的多个端口电压和永磁同步电机的多个转子位置信号。
[0084]
应当理解的是，本技术实施例在采集探测线圈的端口电压和永磁同步电机的转子位置信号之前，首先要确定永磁同步电机的参数，包括定子槽数z和极对数p；根据电机的参数，按照同时反应发电机定子和转子内部短路的探测线圈布置方法中所提供探测线圈的布置方法，在电机定子槽楔处布置新型探测线圈；并为永磁同步电机安装转子位置传感器，用以输出转子位置信号。
[0085]
进一步地，本技术实施例在永磁同步电机运行过程中，利用相关技术手段实时采集并存储至少一个探测线圈的多个端口电压和旋变输出的多个转子位置信号，为避免冗余，在此不做详细赘述。
[0086]
在步骤s102中，根据多个端口电压计算失磁故障监测量，且根据多个转子位置信号计算失磁故障报警值，并根据失磁故障监测量和失磁故障报警值的比值得到失磁故障监测的灵敏度。
[0087]
可以理解的是，本技术实施例可以通过预先采集到的多个端口电压和多个转子位置信号，分别计算失磁故障监测量和失磁故障报警值，进而根据失磁故障监测量和失磁故障报警值的比值计算出失磁故障监测的灵敏度。
[0088]
进一步地，在一些实施例中，根据多个端口电压计算失磁故障监测量，且根据多个转子位置信号计算失磁故障报警值，包括：根据多个端口电压得到端口电压的多个分数次谐波电压有效值，并根据多个转子位置信号计算永磁同步电机的实际转速；根据端口电压的多个分数次谐波电压有效值计算失磁故障监测量，并根据实际转速计算失磁故障报警值。
[0089]
其中，在一些实施例中，失磁故障监测量的计算公式为：
[0090][0091]
其中，k为自然数，n为自然数集，p为极对数，为端口电压中的k/p次谐波电压有效值；
[0092]
失磁故障报警值的计算公式为：
[0093][0094]
其中，k
tol
为失磁故障监测的可靠系数，n为永磁同步电机的实际转速，u
d_normal
为(校准参数过程中)电机正常运行时探测线圈端口固有电压总有效值，n
normal
为u
d_normal
对应的电机转速。
[0095]
需要说明的是，失磁故障监测的可靠系数k
tol
一般取大于1.5的数值。
[0096]
具体而言，本技术实施例利用数字示波器等采集系统预采集数据，包括预采集永磁同步电机正常工况下探测线圈端口电压总有效值u
d_normal
及转速n
normal
；从以最新采样数据算起的前p个工频周期的探测线圈端口电压信号中，计算出1/p次、2/p次、
……
(p-1)/p次、(p+1)/p次、(p+2)/p次、
……
(2p-1)/p次等各种(《2的)分数次谐波电压有效值其中，k∈n，k《2p而且k≠p；从p个工频周期的多个转子位置信号中，计算出永磁同步电机的实际转速；根据p个工频周期的探测线圈电压各种分数次谐波有效值，计算出失磁故障监测量；以及根据永磁同步电机的实际转速计算失磁故障报警值；进而根据失磁故障监测量和失磁故障报警值的比值计算出失磁故障监测的灵敏度，即k
sen
＝监测量/报警值。
[0097]
在步骤s103中，在失磁故障监测的灵敏度满足预设失磁条件时，从预设的多个工频周期中提取第一分数次谐波瞬时值和第二分数次谐波瞬时值，并根据第一分数次谐波瞬时值和第二分数次谐波瞬时值得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度，并根据机械角度进行故障磁极定位。
[0098]
其中，预设的多个工频周期可以是本领域技术人员预先设定好的，也可以是通过有限次实验获得的，还可以是经过有限次计算机仿真得到的，在此不做具体限定。
[0099]
进一步地，在一些实施例中，在失磁故障监测的灵敏度满足预设失磁条件之后，还包括：生成失磁故障报警信号，并根据失磁故障报警信号进行失磁故障报警。
[0100]
具体而言，本技术实施例将失磁条件预设为：计算出的失磁故障监测的灵敏度k
sen
大于1，并且之后p个工频周期计算出的k
sen
都大于1。那么当失磁故障监测的灵敏度满足预设失磁条件，即k
sen
》1，且之后p个工频周期计算出的k
sen
都大于1时，则可以发出失磁故障的报警信号进行失磁故障报警。
[0101]
若失磁故障监测的灵敏度未满足预设条件，则返回继续采集探测线圈端口电压和多个转子位置信号并重新计算失磁故障监测量和失磁故障报警值，进而得到失磁故障监测的灵敏度。
[0102]
进一步地，在一些实施例中，根据第一分数次谐波瞬时值和第二分数次谐波瞬时值得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度，包括：获取第一分数次谐波瞬时值和第二分数次谐波瞬时值相等且导数符号相同的目标时刻；根据
目标时刻对应的转子位置信号得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度。
[0103]
其中，永磁同步电机安装的转子位置传感器可以输出转子位置信号，以得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度。例如，在电机转轴上安装1对极的旋转变压器，旋变转子线圈中心线正对永磁同步电机参考磁极中心线，旋变余弦输出线圈中心线正对探测线圈中心线，解码器即可实时输出永磁同步电机参考磁极中心线领先探测线圈中心线的机械角度。
[0104]
具体而言，当失磁故障监测的灵敏度满足预设失磁条件时，从失磁故障监测的灵敏度k
sen
》1的p个工频周期的探测线圈电压数据中，提取出其中的1/p次(即第一分数次)和2/p次(第二分数次)谐波瞬时值(即这p个工频周期内的1/p次和2/p次谐波电压波形)，找到1/p次和2/p次谐波数值相等并且导数同号(同正或同负)的时刻t
scpm
(即目标时刻)，以及t
scpm
时刻对应的转子位置信号θ，从而得到t
scpm
时刻永磁同步电机参考磁极中心线领先探测线圈中心线的机械角度，单位为degree。
[0105]
进一步地，在一些实施例中，根据机械角度进行故障磁极定位，包括：根据机械角度定位发生失磁的故障磁极编号；根据故障磁极编号进行故障磁极定位和/或失磁故障报警。
[0106]
其中，在一些实施例中，根据机械角度定位发生失磁的故障磁极编号，包括：基于预设的故障极定位公式，根据机械角度定位发生失磁的故障磁极编号，其中，预设的故障极定位公式为：
[0107][0108]
其中，θ为转子位置信号，i为参考磁极领先故障磁极的极数。
[0109]
需要说明的是，参考磁极以顺转向为准，[x]函数表示向下取整。因为每个磁极占(degree，机械角度)，所以参考磁极领先故障磁极个极。
[0110]
综上，如图2所示，本技术实施例可以预先设置失磁故障监测报警值基准值，根据采集的探测线圈端口电压信号和旋变输出的转子位置信号，计算监测报警值，提取探测线圈电压分数次谐波并计算失磁故障监测量，判断连续p个基波周期(工频周期)监测量是否大于监测报警值，若不大于，则返回继续采集探测线圈端口电压和多个转子位置信号并重新计算失磁故障监测量和失磁故障报警值；反之，则会输出失磁故障报警信号进行失磁故障报警，并在p个基波周期的探测线圈电压数据中，确定1/p次和2/p次谐波电压数值相等且导数同号的时刻，并记录此时刻所对应的转子位置信号，根据此转子位置信号定位发生失磁的故障磁极，从而输出故障磁极编号。
[0111]
为便于本领域技术人员对本技术实施例提出的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法的进一步了解，下面结合示例做详细说明。
[0112]
具体而言，本技术以一台定子48槽8极的六相永磁同步电机为例，在2d maxwell软件界面下，建立这台样机的场路耦合模型，对1个n极完全失磁(即永磁体12.5％局部失磁)故障引起的磁场分布、定子电流电压及探测线圈端口电压进行仿真，其中，该样机内置了3个节距12槽距的探测线圈，主要参数如表1所示。
[0113]
表1
[0114]
额定功率10kw额定转速600r/min额定频率40hz极对数4相数6定子槽数48每相分支数1额定电压(y接)400v额定电流(y接)8a额定功率因数0.92每相空载反电势有效值204v
[0115]
可以理解的是，永磁转子局部失磁后，永磁体产生的磁场在失磁极下的幅值远小于其它正常磁极下，图3为一个n极磁极100％退磁时，转子产生的气隙圆周磁密分布示意图，如图3的磁场仿真结果所示(横坐标是建立在转子圆周的空间坐标，以失磁磁极中心线为横坐标零点，单位是机械角度)，进行空间傅里叶分解后，可提取出其中的空间基波、1/2次和1/4次谐波磁场。
[0116]
从仿真结果可以看出，空间基波磁场和故障附加的各种分数次谐波磁场(比如1/p次、2/p次、3/p次等空间谐波磁场，该台样机极对数p＝4)，幅值都位于失磁极中心线(即空间坐标零点)，而且故障附加的各种分数次谐波磁场极性相同、均与正常运行固有的基波磁场极性相反。
[0117]
由于3个探测线圈节距都是1对极(即12槽距)，当永磁同步电机正常运行时，空间基波磁场(以及其它奇数次谐波磁场)不会在探测线圈中产生交变磁链，所以探测线圈端口电压为0；当永磁转子局部失磁后，各极不再相同的永磁体还会产生1/p次等分数次谐波磁场，相对探测线圈以同步速n运动，在开路的探测线圈中便可以产生交变磁链以及相应的1/p次等分数次谐波感应电动势。
[0118]
图4为在六相单分支永磁同步电机中，一个n极磁极100％退磁引起的1号探测线圈端口电压的仿真波形示意图，设定转速n＝600r/min，那么永磁同步电机的工频f＝40hz，1号探测线圈端口电压仿真波形如图4所示，通过傅里叶分解还可以得到其中的1/2次和1/4次谐波电压，理论上这在永磁同步电机正常运行时是不存在的，是转子局部失磁的故障特征量，由此可用来检测局部失磁故障。
[0119]
进一步地，图5为根据本技术的一个实施例的失磁极与定子相对位置的示意图，图中标出了(定子侧)3个探测线圈中心线的位置。如图5(a)所示，已经设定t＝0时失磁极中心线与定子0号(即定子槽数z＝48号)槽重合，转子以n＝600r/min逆时针旋转，图5中无网格磁极代表n极，有网格磁极代表s极，黑色磁极代表失磁的n极。
[0120]
由于该永磁同步电机的定子绕组每相仅有一个分支，即每相绕组由(分布在8极下相同位置的)8个线圈串联构成，只要定子绕组不出现内部短路故障，每相绕组只会产生空间基波磁场(以及其它奇数次谐波磁场)，所以这种每相单分支永磁同步电机的电枢反应磁场不会在本技术实施例所用的特殊探测线圈中产生交变磁链及感应电动势，图4所示的探
测线圈端口电压均是由永磁体磁场引起的。
[0121]
如图5(a)所示，转子以n＝600r/min逆时针旋转，转子每100ms旋转一圈，当t＝14.6ms时，失磁极中心线已选中到正对1号探测线圈轴线(7号槽)的位置。结合图3(b)所示的一极失磁的转子产生的1/4次和2/4次谐波空间磁场仿真波形，此时1号探测线圈轴线(就是失磁极中心线)在横坐标x＝0处，那么探测线圈中的1/4次和2/4次谐波磁链最大而且同极性，相应的1/4次和2/4次谐波电动势理论值为0并且导数同正或同负。
[0122]
此外，图4(b)的仿真波形也符合上述理论分析结论，在t＝14.6ms时，探测线圈电压的1/4次和2/4次谐波电压都为0，并且这两个谐波电压都处于从负过零，即将变正的时刻，且导数都是正数；在目标时刻t
scpm
＝14.6ms时，失磁极中心线正对(1号)探测线圈中心线，而转子位置传感器输出的转子参考磁极领先(1号)探测线圈θ(机械角度)，说明转子参考磁极领先失磁磁极θ(机械角度)。
[0123]
需要说明的是，如果永磁同步电机定子每相有若干个并联分支，转子局部失磁还可能会引起相绕组内部各并联分支之间的分数次谐波不平衡电流，这种电枢内部不平衡电流也可能在探测线圈中引起1/p次和2/p次谐波分量的电压，从而改变探测线圈中的1/p次和2/p次谐波电压过零点的时刻，使得失磁磁极的定位造成一定误差。
[0124]
如果把该永磁同步电机从原始的每相单分支改为每相2个并联分支，那么相绕组内部每分支由相邻4极下相同位置的线圈串联构成。
[0125]
如图6所示，图6为在六相双分支永磁同步电机中，一个n极磁极100％退磁引起的各相内部分支不平衡电流的仿真波形，在不考虑饱和影响的情况下，局部失磁故障引起的相绕组不平衡电流的大小不受负载影响，因此在修改上述场路耦合模型的定子绕组联接方式后，按(六相双分支)永磁同步电机运行在发电机空载状态时，对一个n极磁极100％退磁故障进行了仿真，计算出局部退磁12.5％引起的各相第1分支电流，此时相电流为0，每相两分支电流大小相等而方向相反，图6计算出的各相第1分支电流便是永磁体退磁引起的相绕组内部分支不平衡电流。
[0126]
可以理解的是，局部失磁故障引起的相绕组内部不平衡电流的频率特征，主要由相绕组内部分布与联结关系决定。理论分析表明，在这个六相双分支永磁同步电机中，相绕组不平衡电流仅含k/p(p＝4，k＝1，3，5
…
)次谐波，如图6、图7所示的仿真结果与理论分析结果相符。并且六相所有分支的1/4次谐波电流共同产生以同步速n正转的1/4次谐波磁场、以n/5反转的5/4次谐波磁场、以n/7正转的7/4次谐波磁场等，这些电枢反应磁场都在探测线圈中产生1/4次谐波分量电压；定子不平衡电流不会产生1/2次、3/2次等谐波磁场，因此，电枢反应磁场不影响探测线圈的1/2次谐波电压。
[0127]
进一步地，图8为在六相双分支永磁同步电机中，一个n极磁极100％退磁引起的1号探测线圈端口电压，其中，图8(a)是其中的1/4次谐波电压，包括永磁体磁场引起的部分和各分支1/4次谐波不平衡电流引起的部分；图8(b)是其中的1/2次谐波电压，完全由永磁体磁场引起，与图4(b)中的1/2次谐波电压几乎相等；图8(c)为1号探测线圈端口电压时域波形展示；图8(d)为1号探测线圈端口电压1/4次和1/2次谐波波形展示。
[0128]
从图8(a)的仿真结果可以得到，各分支1/4次谐波不平衡电流引起探测线圈端口电压1/4次谐波u
ubc,1/4
，不到永磁体磁场引起的探测线圈端口电压1/4次谐波u
pm,1/4
的十分之一，所以总的1/4次谐波电压u
k/4
过零点时刻，与u
pm,1/4
过零点时刻相差仅约0.8ms，对转速
600r/min的电机，转子在0.8ms仅转过2.88
°
(机械角度)，对于故障极的判断影响不大，而且不受失磁程度影响。
[0129]
由此，对于本技术实施例的六相双分支永磁同步电机，探测线圈端口电压中1/4次谐波(包括局部失磁引起定子不平衡电流，在探测线圈中产生的电枢反应电压)和1/2次谐波虽然不像每相单分支电机那样存在同时同向过零点的时刻，但是转子每转一周仍然存在一个唯一的1/4次谐波和1/2次谐波相等且导数正负情况相同的时刻，对于该电机不需要补偿不平衡电流造成的影响，可以把这个时刻当成转子旋转一周过程中失磁极轴线与(1号)探测线圈轴线重合的时刻，本技术提出的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法同样适用于六相双分支永磁同步电机。
[0130]
根据本技术实施例提出的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法，其中，永磁同步电机内设置有至少一个探测线圈，通过根据至少一个探测线圈的多个端口电压计算失磁故障监测量，和永磁同步电机的多个转子位置信号计算失磁故障报警值，并根据失磁故障监测量和失磁故障报警值的比值得到失磁故障监测的灵敏度，在灵敏度满足预设失磁条件时，根据从预设的多个工频周期中提取第一和第二分数次谐波瞬时值，得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度，并根据机械角度进行故障磁极定位。由此，解决了电机长期失磁运行导致故障恶化的问题，提升多极永磁同步电机的失磁故障修复效率，提高永磁同步电机运行的安全可靠性。
[0131]
其次参照附图描述根据本技术实施例提出的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位装置。
[0132]
图9是本技术实施例的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位装置的方框示意图。
[0133]
如图9所示，该多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位装置10，永磁同步电机内设置有至少一个探测线圈，其中，装置10包括：采集模块100、计算模块200和定位模块300。
[0134]
其中，采集模块100，用于采集至少一个探测线圈的多个端口电压和永磁同步电机的多个转子位置信号；
[0135]
计算模块200，用于根据多个端口电压计算失磁故障监测量，且根据多个转子位置信号计算失磁故障报警值，并根据失磁故障监测量和失磁故障报警值的比值得到失磁故障监测的灵敏度；以及
[0136]
定位模块300，用于在失磁故障监测的灵敏度满足预设失磁条件时，从预设的多个工频周期中提取第一分数次谐波瞬时值和第二分数次谐波瞬时值，并根据第一分数次谐波瞬时值和第二分数次谐波瞬时值得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度，并根据机械角度进行故障磁极定位。
[0137]
进一步地，在一些实施例中，计算模块200，具体用于：
[0138]
根据多个端口电压得到端口电压的多个分数次谐波电压有效值，并根据多个转子位置信号计算永磁同步电机的实际转速；
[0139]
根据端口电压的多个分数次谐波电压有效值计算失磁故障监测量，并根据实际转速计算失磁故障报警值。
[0140]
进一步地，在一些实施例中，失磁故障监测量的计算公式为：
[0141][0142]
其中，k为自然数，n为自然数集，p为极对数，为端口电压中的k/p次谐波电压有效值；
[0143]
失磁故障报警值的计算公式为：
[0144][0145]
其中，k
tol
为失磁故障监测的可靠系数，n为永磁同步电机转速，u
d_normal
为(校准参数过程中)电机正常运行时探测线圈端口固有电压总有效值，n
normal
为u
d_normal
对应的电机转速。
[0146]
进一步地，在一些实施例中，在失磁故障监测的灵敏度满足预设失磁条件之后，定位模块300，还用于：
[0147]
生成失磁故障报警信号，并根据失磁故障报警信号进行失磁故障报警。
[0148]
进一步地，在一些实施例中，定位模块300，具体用于：
[0149]
获取第一分数次谐波瞬时值和第二分数次谐波瞬时值相等且导数符号相同的目标时刻；
[0150]
根据目标时刻对应的转子位置信号得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度。
[0151]
进一步地，在一些实施例中，定位模块300，具体用于：
[0152]
根据机械角度定位发生失磁的故障磁极编号；
[0153]
根据故障磁极编号进行故障磁极定位。
[0154]
进一步地，在一些实施例中，根据机械角度定位发生失磁的故障磁极编号，定位模块300，具体用于：
[0155]
基于预设的故障极定位公式，根据机械角度定位发生失磁的故障磁极编号，其中，预设的故障极定位公式为：
[0156][0157]
其中，θ为转子位置信号，i为参考磁极领先故障磁极的极数。
[0158]
需要说明的是，前述对多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法实施例的解释说明也适用于该实施例的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位装置，此处不再赘述。
[0159]
根据本技术实施例提出的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位装置，其中，永磁同步电机内设置有至少一个探测线圈，通过根据至少一个探测线圈的多个端口电压计算失磁故障监测量，和永磁同步电机的多个转子位置信号计算失磁故障报警值，并根据失磁故障监测量和失磁故障报警值的比值得到失磁故障监测的灵敏度，在灵敏度满足预设失磁条件时，根据从预设的多个工频周期中提取第一和第二分数次谐波瞬时值，得到永磁同步电机参考磁极中心线领先至少一个探测线圈中心线的机械角度，并根据机械角
度进行故障磁极定位。由此，解决了电机长期失磁运行导致故障恶化的问题，提升多极永磁同步电机的失磁故障修复效率，提高永磁同步电机运行的安全可靠性。
[0160]
图10为本技术实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：
[0161]
存储器1001、处理器1002及存储在存储器1001上并可在处理器1002上运行的计算机程序。
[0162]
处理器1002执行程序时实现上述实施例中提供的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法。
[0163]
进一步地，电子设备还包括：
[0164]
通信接口1003，用于存储器1001和处理器1002之间的通信。
[0165]
存储器1001，用于存放可在处理器1002上运行的计算机程序。
[0166]
存储器1001可能包含高速ram(random access memory，随机存取存储器)存储器，也可能还包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器。
[0167]
如果存储器1001、处理器1002和通信接口1003独立实现，则通信接口1003、存储器1001和处理器1002可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是isa(industry standard architecture，工业标准体系结构)总线、pci(peripheral component，外部设备互连)总线或eisa(extended industry standard architecture，扩展工业标准体系结构)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图10中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0168]
可选的，在具体实现上，如果存储器1001、处理器1002及通信接口1003，集成在一块芯片上实现，则存储器1001、处理器1002及通信接口1003可以通过内部接口完成相互间的通信。
[0169]
处理器1002可能是一个cpu(central processing unit，中央处理器)，或者是asic(application specific integrated circuit，特定集成电路)，或者是被配置成实施本技术实施例的一个或多个集成电路。
[0170]
本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的多对极永磁同步电机转子局部失磁的故障磁极定位方法。
[0171]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0172]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0173]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部
分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0174]
应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，n个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列，现场可编程门阵列等。
[0175]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0176]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。