基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法

本发明涉及故障诊断，具体涉及一种基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法。

背景技术：

1、相较于电励磁电机，永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine)采用永磁体提供转子磁通，舍去了复杂的励磁装置，具有结构简单、体积小、重量轻、运行效率高等优点。近年来，在风力发电、电动汽车、航空航天等领域得到了广泛的应用。

2、然而，在这些应用场合永磁同步电机大多运行在复杂且恶劣的工作环境下，永磁体在高温、去磁磁场和物理损伤等因素的影响下可能会出现退磁故障。永磁同步电机的退磁状态可分为均匀退磁和局部退磁两种。其中，均匀退磁则多是由材料老化引起，尽管电机的性能有所下降，但故障前后电机参数仍保持对称，一定程度上并不会对电机的运行带来较为恶劣的影响。局部退磁会引起电机内部磁场分布的畸变，从而导致电机运行出现异常振动和噪声，严重时甚至会导致电机的损坏。

3、目前，科研人员已经提出了一些方法来诊断永磁同步电机的局部退磁故障，如基于气隙径向磁感应强度、磁链、振动等信号的诊断方法。公开号为cn116047295a公开的一种永磁同步电机局部退磁故障诊断方法、公开号为cn114441959a公开的一种永磁同步电机的退磁故障诊断方法等均为基于气隙径向磁感应强度进行相应的分析，其存在的问题包括：气隙径向磁感应强度的获取需要在电机内部安装探测线圈，对安装精度有较高要求且需要在电机装配阶段完成安装，因此该类方法适用性较低。基于磁链观测的退磁诊断方法也比较多，比如公开号为cn106597276b公开的一种pmsm永磁体退磁故障诊断与故障模式识别方法、公开号为cn115276482a公开的永磁电机的控制方法、系统、电子设备及存储介质等，但该类方法无法区分局部退磁和均匀退磁状态。通过识别局部退磁引起的异常振动模态也可以实现诊断，但振动信号容易受到设备安装紧固状态的影响，此外，如匝间短路、高阻、转子偏心等多种故障均会在振动信号上引起特征，基于振动信号的局部退磁诊断方法容易出现误诊断。

技术实现思路

1、1.所要解决的技术问题：

2、针对上述技术问题，本发明提供基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法，该方法为非侵入式诊断方法，仅需在电机机壳外侧布置磁传感器即可测量所需的杂散磁场；可以在线实现局部退磁的诊断和定位；可以针对性地诊断局部退磁故障，不会受到均匀退磁的干扰。

3、2.技术方案：

4、基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

5、步骤一：利用布置在永磁同步电机定子外侧的磁传感器实时测量径向杂散磁场信号bj；

6、步骤二：对磁传感器测量获得的杂散磁场信号bj进行滑动窗口平均处理；所述滑动窗口平均处理以电机极距对应的机械角γ作为滑动窗口的宽度；处理后的杂散磁场信号为bjfix；

7、步骤三：预设bjfix幅值的阈值为thr；实时更新信号bjfix，得到信号bjfix的实时幅值的最大值mbj；若mbj>thr时，则判定永磁同步电机存在局部退磁故障，并标记flag＝1；若mbj≤thr，则判定永磁同步电机仍处于正常状态，标记flag＝0；

8、步骤四：当flag＝1时，通过峰值查找算法查找出bjfix信号的峰值点，并记录转子一个机械旋转周期内bjfix信号中幅值最大的四个峰值点对应的转子机械位置角θ1、θ2、θ3和θ4，计算局部退磁特征角θd，得到电机局部退磁定位结果。

9、进一步地，步骤一中，所述磁传感器设置于永磁同步电机定子磁轭外侧沿轴向方向的中部位置，同时正对转子机械位置角的零位置。

10、进一步地，步骤二中，对杂散磁场信号bj进行滑动窗口平均处理为采用如下的公式处理：

11、

12、上式中，θ表示机械位置角；θr表示与杂散磁场信号bj同步采样获得的转子机械位置角信号。

13、进一步地，步骤三中预设bjfix的阈值thr为按照步骤二中方法处理获得永磁同步电机正常工作时转子一个机械旋转周期内bjfix信号，识别并记录该信号的最大幅值作为阈值thr。

14、进一步地，步骤四中，根据转子机械位置角θ1、θ2、θ3和θ4，计算局部退磁特征角θd的方法具体包括以下步骤：

15、s41：计算四个机械位置角中，角θ1分别与θ2、θ3和θ4之间的差值dθ，其计算如下式所示：

16、

17、上式中，dθ的下标“12”表示为θ1和θ2的差值；同理，计算求得dθ13和dθ14；

18、s42：电机的局部退磁导致其定子轭部中机械角相距约3γ的两个轭部区域内出现饱和，饱和现象进而引起局部杂散磁场的上升，因此bjfix信号的四个峰值点两两分布在机械角相距约3γ的区域内，根据步骤s41求解的差值dθ与电机的极距对应的机械角γ的大小关系，将θ1、θ2、θ3和θ4分为两组，记为θs11和θs12、θs21和θs22；则θs11和θs12、θs21和θs22具体表示如下式：

19、

20、s43：求两个因局部退磁出现的饱和区域所对应的位置角θs1和θs2，如下式所示：

21、

22、s44：求局部退磁特征角θd，如下式所示：

23、

24、即可判断出，转子机械位置角为θd时正对永磁同步电机转子机械位置角零位置的永磁块出现了局部退磁。

25、3.有益效果：

26、(1)本方法公开的基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法，通过采样杂散磁场进行分析得到局部退磁的位置信息。所谓杂散磁场即存在于电机近外壳处的磁场，杂散磁场是由于电机的外壳对壳内磁场的屏蔽不够完全而泄露出来的一部分微弱的磁场，它与气隙磁场从物理上来说是同源的，因此也能反应电机的运行状态和某些故障特征。

27、(2)本方法公开的基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法,相比于传统的诊断方法，杂散磁场具有以下优点：非入侵式，无需进入电机的内部空间，仅需在电机机壳外侧布置磁传感器即可测量所需的杂散磁场，不会对电机的结构造成影响；无干扰，不影响电机的正常运转和工作状态，无需对原有的接线做出改变或者在原有的电路中接入设备；设备简单，只需能检测到杂散磁场的比较敏感的磁场传感器和数据采集卡即可，成本低廉。

28、(3)本方法还可以实现在线局部退磁的诊断和定位；可以针对性地诊断局部退磁故障，不会受到均匀退磁的干扰。

技术特征：

1.基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法，其特征在于：步骤一中，所述磁传感器设置于永磁同步电机定子磁轭外侧沿轴向方向的中部位置，同时正对转子机械位置角的零位置。

3.根据权利要求1所述的基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法，其特征在于：步骤二中，对杂散磁场信号bj进行滑动窗口平均处理为采用如下的公式处理：

4.根据权利要求1所述的基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法，其特征在于：步骤三中预设bjfix的阈值thr为按照步骤二中方法处理获得永磁同步电机正常工作时转子一个机械旋转周期内bjfix信号，识别并记录该信号的最大幅值作为阈值thr。

5.根据权利要求1所述的基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法，其特征在于：步骤四中，根据转子机械位置角θ1、θ2、θ3和θ4，计算局部退磁特征角θd的方法具体包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断定位方法，用于解决永磁同步电机局部退磁故障的检测问题。其技术方案是，利用布置在永磁同步电机定子外侧的磁传感器实时测量径向杂散磁场信号Bj，并通过滑动窗口平均处理获得用于诊断的杂散磁场信号为Bjfix。通过获得Bjfix信号的幅值最大值可以进行局部退磁故障的诊断，通过获取Bjfix信号峰值点对应的转子机械位置角可以进行局部退磁永磁块的定位。本发明提供的一种基于杂散磁场测量的永磁同步电机局部退磁诊断和定位方法，属于非侵入式诊断方法，仅需在电机机壳外侧布置磁传感器即可测量所需的杂散磁场，可以在线实现局部退磁的诊断和定位。

技术研发人员：徐政,严松,马宇宁,李雨璞,曹沁蕊,杨睿,王思成
受保护的技术使用者：南京工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/10