西安理工大學羅培恩、尹忠剛等：讓“音樂理論和弦變換”融入電機軸承未知故障診斷，實現診斷精度與速度雙贏！

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導語

為應對復雜工況下電機軸承未知故障頻發、傳統數據驅動方法難以精準快速識別的問題，西安理工大學電氣工程學院羅培恩、尹忠剛、原東昇、白聰，在2026年第41卷第2期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于自適應和弦變換旋轉蒸發策略的電機軸承未知故障診斷方法。該方法通過旋轉蒸發策略解決終身學習過程中新舊樣本災難性遺忘的問題，同時引入自適應和弦變換實現故障特征的仿射不變遷移，在公開數據集與自建實驗平臺上驗證了該方法在診斷準確率提升、診斷時間縮短、模型復雜度降低的有效性。

研究背景

永磁同步電機（PMSM）憑借其高功率密度、高效率等優異性能，被廣泛應用于新能源汽車、航空航天、工業機器人等關鍵領域。作為PMSM不可或缺的核心部件之一，滾動軸承的運行狀態直接關系到整個機電一體化系統的安全性與可靠性。振動信號雖蘊含豐富的設備狀態信息，但復雜的工作環境與多變的工作條件導致軸承常出現未知故障，且無法滿足傳統數據驅動方法對樣本數量均衡與狀態類別一致的假設要求。

現有未知故障診斷方法存在明顯局限：開放集領域自適應方法更適用于離線診斷，難以應對多變工況下的在線需求；終身學習方法雖具備持續學習能力，但新舊樣本間的災難性遺忘問題嚴重制約診斷準確性，且知識記憶與模型擴張影響診斷效率。因此，亟需一種能夠兼顧診斷精度、診斷時效性與模型輕量化的創新方案。

論文所解決的問題及意義

本研究針對電機軸承在復雜工況下出現的未知故障診斷難題，明確了提升診斷性能的關鍵在于解決終身學習過程中的災難性遺忘問題與消除知識記憶及模型擴張對診斷效率的制約。

該研究的核心意義在于能夠有效提高未知故障的診斷準確率與時效性，保障電機驅動系統的安全可靠運行。其次，所提方法在保持較低模型復雜度的同時實現了高效診斷，為工業場景下變工況、小樣本等復雜條件下的電機軸承智能運維提供了新的技術路徑，拓寬了數據驅動故障診斷方法的工程適用性。

論文方法及創新點

創新點：自適應和弦變換旋轉蒸發策略（ACTRES）

針對電機軸承未知故障診斷中終身學習導致的災難性遺忘與診斷效率低下問題，提出自適應和弦變換旋轉蒸發策略，實現診斷精度與效率的雙重提升：

1、旋轉蒸發策略

模擬化學合成中的溶劑-溶液分離機制，通過聚類生成局部原型并構造偽樣本，協調蒸發損失與狀態類別損失間的約束，重構已知類別全局分布，解決新舊樣本間的災難性遺忘問題。

2、自適應和弦變換方法

受音樂理論和弦升降調機制啟發，利用仿射不變性建立不同故障尺寸間的特征遷移映射，消除知識記憶與模型擴張對診斷速度的影響。

圖1 旋轉蒸發策略示意圖

圖2 基于音樂理論知識的和弦轉換示意圖

論文方法：

首先針對電機軸承未知故障診斷中樣本不平衡與類別不匹配問題，分析了終身學習框架下災難性遺忘對診斷性能的影響機理。然后提出基于自適應和弦變換旋轉蒸發策略的診斷方法，通過旋轉蒸發策略重構已知類別全局分布以保留舊知識，利用自適應和弦變換實現故障特征的仿射不變遷移以提升診斷效率。

在凱斯西儲大學公開數據集與自建永磁同步電機軸承故障實驗平臺上，設置勻速、變速及轉速負載同時變化等多種工況，將ACTRES與改進輔助分類器生成對抗網絡、理論引導的漸進遷移學習網絡、多源信息融合深度自注意強化學習等現有先進方法進行對比驗證，通過診斷精度、計算時間、模型復雜度等指標綜合評估該方法在未知故障診斷中的性能。

圖3 自適應和弦變換策略步驟

圖4 實驗平臺

（a）不同任務下的診斷結果

（b）每個任務診斷精度 （c）精度變化趨勢

圖5 實驗平臺上各方法診斷性能比較

圖6 基本指標性能對比

圖7 ACTRES的混淆矩陣

結論

本文明確了提高電機軸承未知故障診斷性能的關鍵在于解決終身學習過程中的災難性遺忘問題與消除知識記憶及模型擴張對診斷效率的制約。實驗結果表明，所提自適應和弦變換旋轉蒸發策略（ACTRES）可有效重構已知類別全局分布，實現故障特征的仿射不變遷移，顯著提升未知故障的診斷準確性與時效性。

實驗驗證顯示，相比現有先進方法，采用ACTRES后：診斷準確率提高11%，診斷時間縮短16%，模型復雜度降低15%。在凱斯西儲大學公開數據集與自建永磁同步電機軸承實驗平臺上，勻速、變速及轉速負載同時變化等多種工況下的診斷精度均保持在95%以上。本文可為電機軸承在復雜工況下高效、可靠地運行提供理論支持和技術參考，具有良好的工程應用前景。

團隊介紹

交流電機控制與電力電子系統研究團隊隸屬于西安理工大學電氣工程學院，團隊依托陜西省重點建設的電氣工程學科、西安市電力電子器件及高效電能變換重點實驗室、高效電能變換與柔性輸配電陜西省高校工程研究中心和陜西省科技創新團隊。其中，電氣工程學科于1984年取得碩士學位授予權，1993年取得博士學位授予權，目前為電氣工程一級博士學科點，1999年設立電氣工程博士后流動站。團隊帶頭人為西安理工大學電氣工程學院尹忠剛教授，現有核心教學科研人員6人，主要研究領域為：高性能交流電機控制及伺服驅動系統、高性能電力電子裝置、電動汽車驅動控制技術、傳動系統故障診斷與全生命周期健康管理等。目前，團隊中在讀博士研究生7人、碩士研究生30人。

羅培恩

博士，講師，主要從事電力電子與電力傳動故障診斷及全生命周期健康管理領域研究。在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Power Electronics等國內外學術期刊上發表SCI/EI論文24篇，其中本人以唯一第一作者發表IEEE Trans. TOP期刊論文6篇，電工技術學報1篇；授權與交流電機控制系統相關的發明專利6項，軟件著作權1項；主持陜西省博士后基金1項；近年來，受邀成為IEEE Transactions on Transportation Electrification、IEEE Transactions on Power Electronics等國際TOP期刊審稿人。

尹忠剛

教授，博導，國家高層次人才，西安理工大學?？茖W與技術研究院院長，陜西省科技創新團隊帶頭人，陜西省高校工程研究中心主任，全球前2%頂尖科學家，IEEE SCI 1區TIE期刊Associate Editor，專注于交流電機控制、新能源與電力電子技術研究，發表論文200余篇，其中以第一或通訊作者發表高影響因子SCI 1區IEEE Trans. 論文57篇，國內一級學報25篇；主持包括1項國家高層次人才資助項目、3項國家自然基金、陜西省杰出青年基金資助項目、陜西省“特支計劃”項目、教育部基金等省部級項目20余項；主持世界500強企業博世公司、美的公司、上市公司偉創電氣等校企合作項目30余項；授權發明專利52項。獲得國家高層次人才青年項目、陜西省杰出青年基金、省部級科技獎3項、省五四青年獎章提名獎、陜西高校優秀共產黨員等20余項獎勵和榮譽。國家高層次人才特聘專家、三秦人才津貼專家、甘肅省政府生態產業特聘科技專家、陜西省科技創新團隊帶頭人、高效電能變換與柔性輸配電陜西省高校工程研究中心主任，兼任中國電工技術學會理事、電力電子學會理事、中國電源學會變頻專委會副主任委員、中國電源學會青工委常務委員、西安電力電子學會副理事長等職務。近三年兩次（2023年、2025年）指導博士生獲陜西省“優秀博士學位論文”、獲中國電源學會優秀博士學位論文提名獎；指導學生參加中國研究生電子設計大賽、英飛凌杯電子設計大賽、互聯網+等競賽，獲得國家一等獎2項、二等獎1項、三等獎3項、省部級獎20余項；指導學生發表國際頂級SCI 1區IEEE Trans. 論文40余篇；1位畢業博士生在清華大學電機系繼續博士后研究工作，11位畢業碩士生在浙江大學、西北工業大學、西安理工大學等高校繼續攻讀博士學位；2013年3月獲得西安理工大學第一屆“本科教學優秀獎”。

原東昇

博士，副教授，博士后，西安交通大學和田納西大學（美國）聯合培養博士，主要從事含磁性部件電能變換器及其系統的數字孿生建模方法研究。主持國家自然科學基金青年項目1項、中國博士后科學基金面上項目1項、陜西省自然科學基礎研究計劃項目1項；參與國家自然科學基金重大項目、國家自然科學基金面上項目；作為核心成員完成企業橫向合作課題多項。在IEEE Transactions on Transportation Electrification、IEEE Transactions on Magnetics及高電壓技術等國內外學術期刊發表論文20余篇，其中SCI期刊論文8篇。授權國家發明專利6項，軟件著作權3項。擔任IEEE Transactions on Industrial Informatics及IEEE Transactions on Magnetics的期刊審稿人。

白聰

博士，副教授。主要從事高性能交流電機控制、永磁直線電機控制等方面的研究工作。主要從事高性能交流電機控制、永磁直線電機控制等方面的研究工作。近年來發表SCI/EI論文十余篇，以第一作者或導師第一作者發表SCI一區論文4篇，授權/受理發明專利十余項，現為Energy、Electrical Engineering等知名期刊審稿人。先后榮獲陜西省優秀畢業生、博士研究生國家獎學金、博士研究生學業獎學金等榮譽稱號。多次參與國家自然科學基金項目、陜西省工業攻關項目等縱橫向課題，研究成果獲陜西省第七屆研究生創新成果獎二等獎。

本工作成果發表在2026年第2期《電工技術學報》，論文標題為“基于自適應和弦變換旋轉蒸發策略的電機軸承未知故障診斷“。本課題得到國家自然科學基金項目和陜西省自然科學基礎研究計劃青年項目資助。

引用本文

羅培恩, 尹忠剛, 原東昇, 白聰. 基于自適應和弦變換旋轉蒸發策略的電機軸承未知故障診斷[J]. 電工技術學報, 2026, 41(2): 499-511. Luo Peien, Yin Zhonggang, Yuan Dongsheng, Bai Cong. Unknown Fault Diagnosis of Motor Bearings Based on Adaptive Chord Transformation Rotation Evaporation Strategy. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(2): 499-511.

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