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申请/专利权人：河南中烟工业有限责任公司

摘要：本发明公开了一种基于有限元及数字孪生的电机状态监测及预测方法，本发明的主要设计构思在于，在不考虑电机模型中磁饱和、铁损耗和电容效应等因素下，构建用于电机状态预测的有限元耦合电路组合数学模型，并搭建对应的硬件系统，通过前述模型以及硬件系统实现模拟仿真，并以此用于监测并预测电机状态，具体地，该数学模型考虑到电机的特殊几何形状和绕组结构，可以通过便捷的矩阵变换实现灵活调整，并且可以在其中添加任意数量的搜索线圈以及偏心等故障，因而对绕组转子感应电机的实时故障预测尤为适配。本发明具有很强的检测适应性，可以大幅降低因电机故障引发的经济损失和安全事故，为电机的状态实时监测和故障预测开辟了新途径。

主权项：1.一种基于有限元及数字孪生的电机状态监测及预测方法，其特征在于，包括：步骤S1、构建绕组转子感应电机的有限元耦合电路组合模型，具体包括如下：模型构建环节、电路识别环节以及电感矩阵的有限元计算环节；其中，所述模型构建环节包括：求取任一电机电路接收到其他电机电路的总磁通量，具体地，所述总磁通量等于接收到的其他电机电路的磁通量之和；且基于一个给定的电机电路，从另一个电机电路接收到的磁通量与在发送器中流动的电流以及两个电路两者之间的磁耦合相关；其中，所述磁耦合是转子角位移的函数；以单一的矩阵方程涵盖上述磁通量与电流关系，并结合任意电机电路的磁通变化所产生的电压，得到动力学模型；其中，所述矩阵方程包括预先获得的电感矩阵函数；利用所述动力学模型计算电磁转矩，并且基于预先定义了搜索线圈和其他电机电路之间的耦合关系的第一矩阵求取反电动势；所述电路识别环节包括：在电机定子以及电机转子上各布置三个绕组线圈，并在定子齿周围布置一个搜索线圈，由此七个线圈电路构成绕组转子感应电机的有限元耦合电路组合模型的硬件架构；所述有限元计算环节包括：基于二维有限元计算多个转子位置的电感矩阵函数，并建立查找表，具体包括：计算无绕组电机的电感矩阵，并进行矩阵变换得到绕组构型矩阵，所述绕组构型矩阵包含每个插槽中每个电路的匝数；步骤S2、搭建基于有限元及数字孪生进行电机状态监测及预测的硬件系统，具体包括：将数字孪生处理单元与用于实时仿真的仿真平台数据连接，并将电机电压及电流采集电路所采样信号输入至数字孪生处理单元，以及通过角位移传感器检测转子位置信号输入至数字孪生处理单元；其中，数字孪生处理单元被配置为包含绕组转子感应电机的有限元耦合电路组合模型，并用于输出预测结果；步骤S3、利用仿真平台进行实时处理以对电机状态进行监测及预测，具体包括如下：编程环节、位置追踪环节、模型实现环节以及时间步长选择环节；其中，所述模型实现环节包括：根据预设分辨率创建自定义的仿真块，所述仿真块包含：有限元耦合电路组合模型，以及与有限元耦合电路组合模型相连的绕组转子感应电机，其中，将电机定子的子端连接到控制的电压源，将转子的终端连接到外部电阻可实时调节的计算机，并根据设定的电机电路数量，在仿真块的输入端及输出端设置外部连接，所述外部连接包括输入电压和输出电流；将与电机电路对应的输入电压状态和输出电流状态表达为表征标准状态空间的矩阵，并存储在预设的查找表中；在每个设定的时间步长中，根据转子位置信号以及所述查找表，通过插值法获取用于计算电磁转矩的电感矩阵。

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