永磁同步电机匝间短路故障在线检测方法

专利名称：一种双定子永磁同步电机匝间短路故障诊断方法专利类型：发明专利
发明人：张蔚,王家乐,关文慧
申请号：CN202011304745.9
申请日：20201119
公开号：CN112505581A
公开日：
20210316
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种双定子永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，首先分别在定子1与定子2的α轴和β轴注入幅值相等、相位相同的高频电压信号，其次将定子1与定子2的α轴和β轴的电流信号通过两相旋转变换得到电流信的直流分量和相位角信息。

然后，分别判断定子1和定子2是否出现匝间短路故障：如果定子1的故障指标则判断定子1正常，定子2同理。

若定子1与定子2都没有出现匝间故障，则判断电机正常。

若其中定子1或定子2的故障指标则判断相应定子出现匝间短路故障。

最后，若定子1或定子2单独发生故障，通过各电流相分别做差得到相位差，判断具体故障相。

申请人：南通大学
地址：226019 江苏省南通市崇川区啬园路9号
国籍：CN
代理机构：南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)
代理人：吴旭
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匝间短路测试方法《嘿，朋友！咱来唠唠匝间短路测试方法》嘿呀，朋友们！今天我要给你们分享一个超厉害的匝间短路测试方法，这可真的是我的独家秘籍哦！咱先来说说第一步哈，就像你要去抓一只调皮的小猴子，得先找到它在哪儿。

咱们得先把测试的设备准备好呀，什么电压表、电流表啥的，可别拿错了哦，不然就像拿着金箍棒去打苍蝇，那可不行。

然后呢，第二步，就像给小猴子搭个舞台，咱得把被测设备连接好。

这时候可别手抖哈，要是接错了线，那就好比小猴子站错了舞台，表演可就乱套啦！第三步，这可是关键的一步哦！就好像小猴子要开始表演啦，咱们得给它来点刺激的。

启动测试设备，让电流啊电压啊在那里面欢快地跑起来。

这时候你就得瞪大眼睛看着啦，就像看小猴子翻跟头一样，可有趣啦！第四步，注意啦！这就像看小猴子表演的时候要注意它有没有出啥差错。

观察仪表上的数据，看看有没有啥异常。

要是有异常啊，那就像小猴子突然摔了一跤，你得赶紧注意到。

我跟你们说啊，我有一次做这个测试的时候，就犯了个迷糊。

我把线接错了，结果那数据乱得呀，就像小猴子在那疯狂跳舞，把我都给搞懵了。

还好我及时发现，重新接好线，不然可就闹大笑话啦！接着说第五步哈，就像判断小猴子表演得好不好一样，咱得根据数据来分析是不是有匝间短路。

这可得仔细点，别像马大哈似的随便看看就下结论。

第六步呢，如果发现有异常，那就得进一步检查啦，就像小猴子表演出问题了，咱得找找原因。

可别偷懒哦，这时候偷懒，以后设备出问题了可就麻烦大啦！最后一步啦，要是一切都没问题，那就大功告成啦！就像小猴子完美表演结束，咱可以开心地鼓掌啦！哎呀呀，朋友们，这个匝间短路测试方法是不是很简单呀？只要你们按照我说的这几步来，肯定没问题的啦！记住哦，准备设备要仔细，连接要正确，观察数据要认真，分析要到位。

就像打怪兽一样，一步一步把问题都解决掉！好啦，赶紧去试试吧，祝你们都能成功哦！哈哈！。

电气传动2020年第50卷第4期ELECTRIC DRIVE 2020Vol.50No.4摘要：提出了一种基于负序分量的用于永磁同步电机早期匝间短路故障的诊断方法。

该诊断方法中的故障电流在轻微匝间短路故障时不受转子转速变化的影响。

引入的负序分量故障指示器模型诊断轻微匝间短路故障的性能明显优于利用零序分量的故障指示器。

设置了12种匝间短路故障以及永磁同步电机2种运行条件。

通过试验表明，提出的方法能够有效地诊断早期轻微匝间短路故障。

关键词：故障诊断；匝间短路故障；模型分析；永磁同步电机中图分类号：TM28文献标识码：ADOI ：10.19457/j.1001-2095.dqcd19449Method for Detecting Short Circuit Slight Fault of the PMSMWU Juanjuan ，PI Weiwei（Department of Engineering ，Electrical Zhengzhou Electric Power College ，Zhengzhou 450000，Henan ，China ）Abstract:A diagnosis method based on negative -sequence component for diagnose slightly inter -turn short -circuit fault （ISCF ）of permanent magnet synchronous motor （PMSM ）was proposed.The fault current for the diagnosismethod was not affected by the changed rotor speed when the it was on the early stage.The negative -sequence component fault indicator model introduced was better than the fault indicator with zero -sequence component.12kinds of ISCF with two different operation conditions of PMSM were set up.The results showed that the method can effectively diagnose the early slightly inter -turn short -circuit fault.Key words:fault diagnosis ；inter -turn short -circuit fault （ISCF ）；model analysis ；permanent magnet synchronousmotor （PMSM ）永磁同步电机轻微匝间短路故障的检测方法吴娟娟，皮薇薇（郑州电力高等专科学校电力工程系，河南郑州450000）作者简介：吴娟娟（1983-），女，硕士，讲师，Email ：******************永磁同步电机匝间短路故障是对称三相交流电机中最常见的故障之一［1］。

发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测分析摘要：发电电动机在投入使用的过程中难免会发生一些故障，常见的故障就包括励磁绕组匝间短路，一旦出现这种故障就会导致转子励磁的输出无功减小，导致电流增加，这些不良后果的出现如果没有得到及时的处理就会引发一些安全事故。

所以通过结合发电电动机在运行过程中容易出现的一些故障，并对故障进行实时的监测，尽早的发现可能存在的一些故障十分重要。

这篇文章通过分析中性点电流互感器对励磁绕组匝间短路故障的反映情况，总结了基于中性点不平衡电流的发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测通用方案，阐述了改进的发电电动机在线监测灵敏方案。

关键词：发电电动机；励磁绕组匝间短路；故障；在线监测；分析引言随着我国经济以及科技的不断发展，我国人民的生活水平也在不断的得到提高，对于电力的需求量不断增加，巨大的电力需求量促进我国电力行业有了更大的发展，现代社会中使用的电能为交流电能，这种电能是由同步发电机产生的，并且最基本的生产电能的设备就是同步发电机，为保障人们能够更加安全的用电，就要充分保障同步发电机以及电力系统的安全运行。

而在同步发电机使用的过程中难免会发生一些故障，其中励磁绕组匝间短路是最为常见的故障，这一故障的存在会严重影响整个电力系统的安全与稳定，因此，对同步发电机进行保护以及故障监测十分重要。

一、研究背景我国电力工程在不断的发展变化，从传统的水轮发电机到现在的抽水蓄能电站，抽水蓄能电站的安全以及稳定受到更多人的关注，由于其具有一定的复杂性，并且其运行环境比较恶劣，再加上使用年限在不断的增加，就会增加故障发生的概率，例如励磁绕组匝间短路这一故障[1]。

轻微的励磁绕组匝间短路不会严重影响同步发电机的正常运行，但是如果长此以往就会增加短路的匝数，进而导致故障进一步加深。

另外励磁绕组匝间短路点的温度还会升高，会导致转子铁芯受到破坏。

由此可见，励磁绕组匝间短路会带来多方面的影响，通过对电机运行过程中可能存在的故障进行监控，能够及时的发现正在处于萌芽期的故障，对这些故障进行及时的检修，避免更多故障的出现，确保电力系统的安全运行。

第２７卷㊀第３期２０２３年３月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Ｅｌｅｃｔｒｉｃ㊀Ｍａｃｈｉｎｅｓ㊀ａｎｄ㊀Ｃｏｎｔｒｏｌ㊀Ｖｏｌ ２７Ｎｏ ３Ｍａｒ.２０２３㊀㊀㊀㊀㊀㊀永磁同步电机匝间短路故障短路线圈定位方法陈昊１ꎬ㊀张楠２ꎬ㊀高彩霞２ꎬ㊀桑晓晨３ꎬ㊀许孝卓２ꎬ㊀封海潮２(１.河南理工大学应急管理学院ꎬ河南焦作４５４００３ꎻ２.河南理工大学电气工程与自动化学院ꎬ河南焦作４５４００３ꎻ３.西南交通大学利兹学院ꎬ四川成都６１００９７)摘㊀要:为了研究基于电机外部电信号的直驱永磁同步电机早期匝间短路故障检测及定位方法ꎬ提出一种基于探测线圈阵列的ＤＤＰＭＳＭ的ＩＳＦ短路线圈定位方法ꎮ首先ꎬ提出一种基于电机绕组分布及连接方式的探测线圈阵列ꎻ其次ꎬ分析了探测线圈工作机理ꎬ建立了考虑短路线圈位置的探测线圈反电势矩阵ꎻ然后ꎬ利用所建立的探测线圈反电势矩阵ꎬ分析用于ＩＳＦ短路线圈位置的故障特征量ꎮ提出了利用探测线圈反电势差值进行ＩＳＦ故障检测和故障线圈组的定位ꎬ利用探测线圈反电势残差进行短路线圈的定位ꎬ提出基于上述定位特征量的ＩＳＦ定位方法ꎮ仿真和实验结果验证了所提出方法的正确性和有效性ꎮ最后ꎬ以样机为例ꎬ将所提出的定位方法与现有故障定位方法进行比较ꎬ进一步证明方法的准确性和灵敏性ꎮ关键词:直驱永磁同步电机ꎻ匝间短路故障ꎻ故障定位ꎻ探测线圈阵列ꎻ数学模型ꎻ反电势差值ꎻ反电势残差ＤＯＩ:１０.１５９３８/ｊ.ｅｍｃ.２０２３.０３.０１２中图分类号:ＴＭ３５１文献标志码:Ａ文章编号:１００７－４４９Ｘ(２０２３)０３－０１２４－１１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:２０２１－１２－０２基金项目:国家自然科学基金(５２１７７０３９)ꎻ河南理工大学博士基金(Ｂ２０２１－２２ꎬＢ２０１８－４８)ꎻ河南省科技攻关项目(２２２１０２２２００１７)作者简介:陈㊀昊(１９７９ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ研究方向为机电一体化技术ꎻ张㊀楠(１９９６ )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ研究方向为电机故障诊断ꎻ高彩霞(１９８１ )ꎬ女ꎬ博士ꎬ教授ꎬ研究方向为电机状态监测与故障诊断㊁特种电机理论及控制等ꎻ桑晓晨(２００２ )ꎬ女ꎬ本科ꎬ研究方向为信号处理ꎻ许孝卓(１９８１ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ研究方向为特种电机理论与控制ꎻ封海潮(１９８３ )ꎬ男ꎬ博士研究生ꎬ副教授ꎬ研究方向为特种电机及其控制ꎮ通信作者:高彩霞ＦａｕｌｔｃｏｉｌｌｏｃａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｗｉｔｈｉｎｔｅｒｔｕｒｎｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔｆａｕｌｔＣＨＥＮＨａｏ１ꎬ㊀ＺＨＡＮＧＮａｎ２ꎬ㊀ＧＡＯＣａｉ￣ｘｉａ２ꎬ㊀ＳＡＮＧＸｉａｏ￣ｃｈｅｎ３ꎬ㊀ＸＵＸｉａｏ￣ｚｈｕｏ２ꎬ㊀ＦＥＮＧＨａｉ￣ｃｈａｏ２(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｍｅｒｇｅｎｃｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔꎬＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｏｚｕｏ４５４００３ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｏｚｕｏ４５４００３ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＬｅｅｄｓＣｏｌｌｅｇｅꎬＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈｅｎｇｄｕ６１００９７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｄｅｔｅｃｔａｎｄｌｏｃａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒ￣ｔｕｒｎｓｈｏｒｔ￣ｃｉｒｃｕｉｔｆａｕｌｔ(ＩＳＦ)ｏｆｄｉｒｅｃｔ￣ｄｒｉｖｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ(ＤＤＰＭＳＭ)ｕｓｉｎｇｅｘｔｅｒｎａｌｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｉｇｎａｌꎬａｆａｕｌｔｃｏｉｌｌｏｃａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒＤＤＰＭＳＭｗｉｔｈＩＳＦｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｎｏｖｅｌｓｅａｒｃｈｃｏｉｌ.Ｆｉｒｓｔｌｙꎬｔｈｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｎｏｖｅｌｓｅａｒｃｈｃｏｉｌｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄꎬｗｈｉｃｈｄｅｐｅｎｄｓｏｎｔｈｅｗｉｎｄｉｎｇｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ.Ｓｅｃｏｎｄｌｙꎬｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｓｅａｒｃｈｃｏｉｌｗａｓａｎａｌｙｚｅｄꎬｔｈｅｍａｔｒｉｘｏｆｔｈｅｂａｃｋｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅｆｏｒｃｅ(ＥＭＦ)ｏｆｔｈｅｎｏｖｅｌｓｅａｒｃｈｃｏｉｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｓｈｏｒｔ￣ｃｉｒｃｕｉｔｃｏｉｌｐｏｓｉｔｉｏｎ.Ｔｈｉｒｄｌｙꎬｔｈｅｓｅａｒｃｈｃｏｉｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｂａｃｋ￣ＥＭＦａｎｄｓｅａｒｃｈｃｏｉｌｒｅｓｉｄｕａｌｂａｃｋＥＭＦａｓｆａｕｌｔｌｏｃａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｗｅｒｅｐｒｏ￣ｐｏｓｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｍａｔｒｉｘꎬｔｈｅＩＳＦｌｏｃａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎ￣ｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ.ＦｉｎａｌｌｙꎬａｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｆａｕｌｔｌｏｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓｍｏｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｔｏｄｅｔｅｃｔａｎｄｌｏｃａｔｅｔｈｅＩＳＦｉｎｔｈｅｅａｒｌｙｓｔａｇｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｄｉｒｅｃｔ￣ｄｒｉｖｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒꎻｉｎｔｅｒ￣ｔｕｒｎｓｈｏｒｔ￣ｃｉｒｃｕｉｔｆａｕｌｔꎻｆａｕｌｔｌｏｃａ￣ｔｉｏｎꎻｔｈｅｎｏｖｅｌｓｅａｒｃｈｃｏｉｌꎻｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌꎻｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｂａｃｋ￣ＥＭＦꎻｒｅｓｉｄｕａｌｂａｃｋ￣ＥＭＦ０㊀引㊀言直驱永磁同步电动机(ｄｒｉｅｃｔ￣ｄｒｉｖｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒꎬＤＤＰＭＳＭ)因其高转矩/惯量比㊁高效率㊁结构紧凑等优点ꎬ被广泛应用于高端制造装备㊁电动汽车㊁航空航天㊁国防军工等领域[１]ꎮ在电动汽车[２]和工业机器人[３]等大功率应用中ꎬ多支路并联永磁同步电机(ＤＤＰＭＳＭｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅｂｒａｎｃｈｅｓｐａｒａｌｌｅｌｗｉｎｄｉｎｇꎬＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ)得到了广泛的应用ꎮ然而ꎬＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ在长期的运行中受热应力㊁电应力㊁机械应力等因素影响ꎬ定子绕组易发生匝间短路故障(ｉｎｔｅｒｔｕｒｎｓｈｏｒｔ￣ｃｉｒｃｕｉｔｆａｕｌｔꎬＩＳＦ)[４]ꎮ如果早期ＩＳＦ未被发现并采取相应措施ꎬ故障会迅速发展成更严重的短路故障ꎬ甚至可能引发重大安全事故[５]ꎮ及时检测出早期ＩＳＦ并采取有效措施能够有效防止故障恶化ꎬ预防灾难性故障发生ꎮ若能进一步诊断出短路线圈的位置ꎬ不仅能为故障后的运行策略和容错策略制定提供重要信息ꎬ还能极大的减少ＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ的维修时间和成本[６]ꎮ因此ꎬ开展早期ＩＳＦ的检测与定位研究具有重要的理论研究价值与工程应用价值ꎮ匝间短路故障会使故障位置处磁通减小ꎬ改变磁场分布ꎬ导致磁通密度发生畸变ꎮ因此ꎬ磁通信号包含了诊断匝间短路故障的重要信息ꎮ为了实现短路线圈的定位ꎬ国内外学者提出了基于磁信号的ＩＳＦ诊断方法ꎮ精准检测故障位置处的磁信号是该类方法的关键ꎮ探测线圈因其易安装㊁精度高等优点常用于测量磁通ꎮ文献[７－８]在电机外壳上安装探测线圈检测定子轭外部的漏磁场ꎬ利用漏磁场实现了ＩＳＦ的检测与定位ꎮ该方法虽然可以定位ＩＳＦ故障位置ꎬ但其测量精度易受外部电磁信号影响ꎮ同时由于漏磁通信号较弱ꎬ因此在诊断早期ＩＳＦ故障时精度较低ꎮ为了提高早期故障诊断的灵敏性与准确性ꎬ有学者提出通过检测定子齿磁通的变化ꎬ来检测ＩＳＦ及识别故障位置ꎮ文献[９－１５]在每个定子齿上安装探测线圈来测量定子齿中磁通ꎮ文献[９－１０]利用定子齿磁通中的高次谐波实现了ＩＳＦ定位ꎮ电机运行时ꎬ探测线圈上的感应电势可反映对应的定子齿磁通ꎮ文献[１１－１３]通过傅里叶变换分析了探测线圈感应电势ꎬ利用感应电势的基波与三次谐波分量实现了ＩＳＦ检测与定位ꎮ上述这些ＩＳＦ定位方法由于采用ＦＦＴ等谐波分析方法ꎬ导致定位算法计算量比较大ꎮ文献[１４－１５]提取了故障前后每个定子齿上的探测线圈反电势幅值ꎬ并绘制相应的雷达图ꎮ通过在比较故障前后雷达图的变化来确定ＩＳＦ位置ꎮ该定位方法不需要任何先进的信号分析方法ꎬ降低了故障定位算法的复杂性ꎮ然而上述方法需要在每个定子齿上安装探测线圈ꎬ对电机的侵入性较大ꎮ为了减小故障诊断方法的侵入性与复杂性ꎬ提出了一种基于探测线圈阵列的ＩＳＦ定位方法ꎮ首先ꎬ提出了一种探测线圈阵列ꎮ根据电机绕组分布及连接方式ꎬ阵列中的探测线圈仅需安装在一些特定的定子齿上ꎬ极大减少了探测线圈数量ꎮ其次ꎬ建立了ＩＳＦ下的探测线圈反电势与短路线圈位置的映射关系ꎬ并利用样机的有限元模型验证了所建立反电势矩阵的正确性ꎮ接着ꎬ通过建立反电势矩阵分析故障线圈组定位特征量和短路线圈定位特征量ꎬ并通过仿真与实验证明所提出故障特征量的正确性与有效性ꎮ最后ꎬ将所提出的定位方法与Ｚｅｎｇ的方法在不同ＩＳＦ程度下进行比较ꎬ结果进一步证明了早期匝间短路故障下本文所提出的ＩＳＦ故障定位方法的准确性与灵敏性ꎮ１㊀探测线圈阵列探测线圈阵列中包括电机中所有位于不同定子齿上的探测线圈ꎮ阵列中探测线圈的布置与线圈组(将同一相彼此相邻的串联的定子线圈定义为线圈组)中线圈个数有关ꎮ当线圈组中有３个线圈时(ａ型线圈组)ꎬ将探测线圈安装在线圈组的第二个线圈所在的定子齿上ꎬ如图１(ａ)所示ꎬ这种探测线圈布置方式定义为Ｔｙｐｅ－Ｉ型ꎻ当线圈组中有２个线圈时(ｂ型线圈组)ꎬ将探测线圈安装在线圈组中任意一个线圈所在定子齿上ꎬ如图１(ｂ)所示ꎬ这种探５２１第３期陈㊀昊等:永磁同步电机匝间短路故障短路线圈定位方法测线圈布置方式定义为Ｔｙｐｅ－ＩＩ型ꎮ上述两种类型被称为探测线圈基本安装单元ꎬ其探测线圈分别称为Ｔｙｐｅ－Ｉ型探测线圈与Ｔｙｐｅ－ＩＩ型探测线圈ꎮ图１㊀探测线圈基本安装单元示意图Ｆｉｇ.１㊀ＢａｓｉｃｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｕｎｉｔｏｆＳＣ当线圈组的线圈个数大于３时ꎬ线圈组可看作若干个ａ型与ｂ型线圈组串联构成ꎬ其探测线圈的布置由基本安装单元组合而成ꎮＴｙｐｅ－Ｉ型和Ｔｙｐｅ－ＩＩ型探测线圈安装数量可由下式初步确定:Ｎｃｏｉｌ＝３ＮＴ－Ｉ＋２ＮＴ－ＩＩꎬ(ＮＴ－ＩꎬＮＴ－ＩＩ＝１ꎬ２ꎬ３ꎬ )ꎮ(１)式中Ｎｃｏｉｌ㊁ＮＴ－Ｉ㊁ＮＴ－ＩＩ分别代表了线圈组中的定子线圈个数㊁Ｔｙｐｅ－Ｉ型探测线圈安装数量和Ｔｙｐｅ－ＩＩ型探测线圈安装数量ꎮ(ＮＴ－ＩꎬＮＴ－ＩＩ)被称为探测线圈的配置组合ꎮ通常情况下ꎬ(ＮＴ－ＩꎬＮＴ－ＩＩ)不唯一ꎮ为了尽可能减小对电机侵入性ꎬ选取探测线圈安装数量最少的组合(ＮＴ－ＩꎬＮＴ－ＩＩ)ꎮ例如ꎬ当线圈组中有６个线圈时ꎬ满足式(１)的组合有两种ꎬ分别为(２ꎬ０)和(０ꎬ３)ꎮ对比两种配置组合所需探测线圈的数量ꎬ(２ꎬ０)比(０ꎬ３)少一个ꎬ因此选(２ꎬ０)作为该线圈组中探测线圈的配置组合ꎮ综上ꎬ探测线圈配置组合的确定方法为:１)确定满足式(１)的所有配置组合ꎻ２)从中选取所需探测线圈数量最少的一种组合ꎮ在确定探测线圈配置组合后ꎬ需要将探测线圈布置在电机中ꎮ对于一台Ｍ(Ｍ＝３ꎬ６ꎬ９ꎬ )相ꎬ每相ｎ条支路ꎬ每条支路ｍ个线圈的ＤＤＰＭＳＭꎬ其Ｘ(Ｘ＝ＡꎬＢꎬＣꎬ )相探测线圈布置示意图如图２所示ꎮ图２中:Ｘｉｊ为Ｘ(Ｘ＝ＡꎬＢꎬＣꎬ ꎬＭ)相第ｉ(ｉ＝１ꎬ２ꎬ ꎬｎ)条支路ꎬ编号为ｊ(ｊ＝１ꎬ２ꎬ ꎬｍ)的定子线圈ꎬＴＸｉｊ为Ｘｉｊ所在的定子齿ꎬＳＣＸｉｊ为装在ＴＸｉｊ上探测线圈ꎮ图２㊀Ｘ相探测线圈布置示意图Ｆｉｇ.２㊀ＳＣｌａｙｏｕｔｉｎＸｐｈａｓｅ根据Ｔｙｐｅ－Ｉ型和Ｔｙｐｅ－ＩＩ型的不同组合方式ꎬ探测线圈的安装有３种情况:１)仅安装Ｔｙｐｅ－Ｉ型探测线圈(即ＮＴ－Ｉ>０ꎬＮＴ－ＩＩ＝０)ꎻ２)仅安装Ｔｙｐｅ－ＩＩ型探测线圈(即ＮＴ－Ｉ＝０ꎬＮＴ－ＩＩ>０)ꎻ３)同时安装Ｔｙｐｅ－Ｉ型和Ｔｙｐｅ－ＩＩ型探测线圈(即ＮＴ－Ｉ>０ꎬＮＴ－ＩＩ>０)ꎮ表１列出了Ｘ相第ｉ条支路３种探测线圈配置组合的探测线圈安装位置ꎮ表１㊀３种探测线圈配置组合的探测线圈安装位置Ｔａｂｌｅ１㊀ＳＣｐｏｓｉｔｉｏｎｆｏｒｔｈｒｅｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ定子齿探测线圈位置ＮＴ－Ｉ>０ꎬＮＴ－ＩＩ＝０(组合Ｉ)ＮＴ－Ｉ＝０ꎬＮＴ－ＩＩ>０(组合ＩＩ)ＮＴ－Ｉ>０ꎬＮＴ－ＩＩ>０(组合ＩＩＩ)ＴＸｉ１ɿɿＴＸｉ２ɿＴＸｉ３ɿＴＸｉ４ɿＴＸｉ５ɿɿ⋮⋮⋮⋮ＴＸｉｊɿɿＴＸｉ(ｊ＋１)ɿＴＸｉ(ｊ＋２)ɿＴＸｉ(ｊ＋３)ɿＴＸｉ(ｊ＋４)ɿɿ⋮⋮⋮⋮从表１可以看出:１)当ＮＴ－Ｉ>０ꎬＮＴ－ＩＩ＝０时ꎬ电机中仅安装Ｔｙｐｅ－Ｉ型ꎬ这些探测线圈分别绕制在ＴＸｉ２ꎬＴＸｉ５ꎬ ꎬＴＸｉ(ｊ＋１)ꎬＴＸｉ(ｊ＋４)ꎬ ꎻ２)当ＮＴ－Ｉ＝０ꎬＮＴ－ＩＩ>０时ꎬ电机中仅安装Ｔｙｐｅ－ＩＩ型ꎬ这些探测线圈分别绕制在ＴＸｉ１ꎬＴＸｉ３ꎬＴＸｉ５ꎬ ꎬＴＸｉｊꎬＴＸｉ(ｊ＋２)ꎬＴＸｉ(ｊ＋４)ꎬ ꎻ３)当ＮＴ－Ｉ>０ꎬＮＴ－ＩＩ>０时ꎬ电机中同时安装Ｔｙｐｅ－Ｉ和Ｔｙｐｅ－ＩＩ型ꎬ这两种探测线圈交替绕６２１电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀制在定子齿上ꎬ探测线圈分别缠绕在ＴＸｉ１ꎬＴＸｉ４ꎬ ꎬＴＸｉｊꎬＴＸｉ(ｊ＋３)ꎬ ꎮ至此ꎬ通过上述步骤得到了线圈组中的线圈个数大于３时探测线圈的布置方式ꎮ综上ꎬ探测线圈阵列中探测线圈的布置原则为:１)确定满足式(１)的所有配置组合ꎻ２)从中选取所需探测线圈数量最少的一种组合ꎻ３)根据确定的(ＮＴ－ＩꎬＮＴ－ＩＩ)中两种基本单元的组合方式ꎬ参照表１确定探测线圈安装位置ꎮ采用探测线圈阵列仅需要在一些特定的定子齿上安装探测线圈ꎬ简化了电机中探测线圈的安装数量ꎮ２㊀探测线圈工作机理分析当电机工作在健康状态时ꎬ根据电磁感应定律可知ꎬ探测线圈反电势为ｅＳＣ(Ｘｉｊ)－Ｈ＝－Ｎｓｃｄφｄｔꎮ(２)式中:ｅＳＣ(Ｘｉｊ)－Ｈ是健康状态下ＳＣＸｉｊ中的反电动势ꎻＮｓｃ是探测线圈的匝数ꎻφ是探测线圈所在的定子齿磁通ꎮ电机正常运行时ꎬφ由旋转磁场产生ꎬ因此不同位置的探测线圈反电势幅值相同ꎮ当电机发生匝间短路故障时ꎬ故障相各支路不对称ꎬ导致支路中产生环流ꎬ环流流过定子线圈会产生与探测线圈相交链的磁通ꎮ另外ꎬ故障线圈的短路部分与短路电阻形成闭合回路ꎬ在短路部分中产生短路电流ꎬ该电流也会产生与探测线圈相交链的磁通ꎮ故匝间短路时探测线圈中的磁通可以分为以下４个部分:１)旋转磁场产生的磁通ꎻ２)故障线圈的短路部分流过短路电流产生的磁通ꎻ３)故障线圈的健康部分流过环流产生的磁通ꎻ４)健康线圈流过环流产生的磁通ꎮ早期匝间短路十分微弱ꎬ对旋转磁场影响非常小ꎬ因此可以近似认为匝间短路故障前后的旋转磁场不变ꎮ由于ＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ绕组采用集中分数槽结构ꎬ线圈间的互感很小ꎬ因此只需分析与探测线圈相邻的线圈在其中产生的磁通ꎮ根据上述分析ꎬ空间不同位置的探测线圈反电势可以分为以下５种情况:１)故障齿(短路线圈所在的定子齿)上的探测线圈反电势由上述四部分磁通产生ꎻ２)与故障齿相邻的定子齿上的探测线圈反电势由上述四部分磁通产生ꎻ３)故障支路(短路线圈所在的支路)中的其余定子齿上的探测线圈反电势由１)和４)两部分磁通产生ꎻ４)故障相(短路线圈所在相)健康支路中定子齿上的探测线圈反电势由１)和４)两部分磁通产生ꎻ５)健康相的定子齿上的探测线圈反电势由１)产生ꎮ综合以上分析ꎬ当Ｘｉｊ发生匝间短路故障时ꎬ空间不同位置处的探测线圈反电势矩阵为ｅＳＣ(Ｘｉｊ)ｅＳＣ(Ｘｉ(ｊ＋１))ｅＳＣ(Ｘｉｊᶄ)ｅＳＣ(Ｘｉᶄｊ)ｅＳＣ(Ｘᶄｉｊ)éëêêêêêêêùûúúúúúúú＝ｅＳＣ(Ｘｉｊ)－ＨｅＳＣ(Ｘｉ(ｊ＋１))－ＨｅＳＣ(Ｘｉｊᶄ)－ＨｅＳＣ(Ｘｉᶄｊ)－ＨｅＳＣ(Ｘᶄｉｊ)－Ｈéëêêêêêêêùûúúúúúúú＋ｄＩｓｆｄｔ－μＭαμＭγ０００éëêêêêêêùûúúúúúú＋㊀㊀ｄＩｃｄｔ(ｎ－１)((１－μ)Ｍα＋λＭγ)(ｎ－１)(Ｍα＋(λ－μ)Ｍγ)(ｎ－１)(Ｍα＋λＭγ)－(Ｍα＋λＭγ)０éëêêêêêêêùûúúúúúúúꎮ(３)其中μ＝ＮｆＮꎻ(４)ＭＳＣ(Ｘｉｊ)Ｘｉｊ(Ｆ)＝μＭαꎻ(５)ＭＳＣ(Ｘｉ(ｊ＋１))Ｘｉｊ(Ｆ)＝μＭγꎮ(６)式中:ｅＳＣ(Ｘｉｊ)㊁ｅＳＣ(Ｘｉ(ｊ＋１))㊁ｅＳＣ(Ｘｉｊᶄ)㊁ｅＳＣ(Ｘｉᶄｊ)㊁ｅＳＣ(Ｘᶄｉｊ)分别为匝间短路故障下ＳＣＸｉｊ㊁ＳＣＸｉ(ｊ＋１)㊁ＳＣＸｉｊᶄ㊁ＳＣＸｉᶄｊ㊁ＳＣＸᶄｉｊ的反电势ꎬ即典型的５种不同位置处的探测线圈反电势ꎻＮｆ为故障线圈的短路匝数ꎻＮ为线圈的总匝数ꎻＭα为探测线圈与同齿定子线圈之间的互感ꎻＭγ为探测线圈与相邻齿定子线圈之间的互感ꎬ对于采用分数槽集中绕组的电机来说ꎬＭα远大于ＭγꎻＭＳＣ(Ｘｉｊ)Ｘｉｊ(Ｆ)和ＭＳＣ(Ｘｉ(ｊ＋１))Ｘｉｊ(Ｆ)分别为探测线圈ＳＣＸｉｊ和ＳＣＸｉ(ｊ＋１)与定子线圈Ｘｉｊ故障部分之间的互感ꎻλ为线圈组中与探测线圈相邻的定子线圈个数(Ｔｙｐｅ－Ｉ型探测线圈的λ为２ꎬＴｙｐｅ－ＩＩ型探测线圈的λ为１)ꎻＩｓｆ为流过线圈短路部分的瞬时电流ꎻＩｃ为流过线圈健康部分的环流ꎮ为了验证上述匝间短路故障下探测线圈数学模型的正确性ꎬ本文以一台７２槽６６极的ＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ作为研究对象ꎬ其关键的参数如表２所示ꎮ表２㊀ＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ的主要参数Ｔａｂｌｅ２㊀ＫｅｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ７２１第３期陈㊀昊等:永磁同步电机匝间短路故障短路线圈定位方法㊀㊀在ＭａｇＮｅｔ中建立了ＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ有限元模型(ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌꎬＦＥＭ)ꎮ为了模拟匝间短路故障ꎬ需要在ＭａｇＮｅｔ中对绕组外电路模型进行故障设置ꎮ以Ａ１１为例ꎬ在绕组外电路中将Ａ１１的两端并联一个短路电阻ꎮ当电机正常运行时ꎬ将短路电阻阻值设置为１ＭΩꎬ此时Ａ１１为健康状态ꎻ当Ａ１１发生匝间短路故障时ꎬ将短路电阻阻值设置为０ꎬ此时Ａ１１故障匝数为４８匝ꎮ若要调整线圈的短路匝数ꎬ需要把短路线圈的几何模型按照匝数比例分成短路与正常部分两部分ꎬ这两部分各自为一个线圈ꎬ然后外电路中将短路部分线圈两端并联一个短路电阻ꎬ其余故障设置方式与Ａ１１故障时一致ꎮ图３为布置有探测线圈的ＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ样机结构示意图ꎮ图３㊀ＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ结构示意图Ｆｉｇ.３㊀ＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭｓｔｒｕｃｔｕｒｅ图３中Ａ１１为短路线圈ꎮ以Ａ１１作为参照ꎬ选取了前述５个典型位置安装探测线圈ꎬ即在ＴＡ１１㊁ＴＡ１２㊁ＴＡ１３㊁ＴＡ３１㊁ＴＢ１３上安装探测线圈ＳＣＡ１１㊁ＳＣＡ１２㊁ＳＣＡ１３㊁ＳＣＡ３１㊁ＳＣＢ１３ꎮ利用有限元模型与所提出的数学模型对电机健康与Ａ１１短路４８匝时探测线圈反电势进行分析ꎬ结果如图４所示ꎮ由图４可以看出ꎬ电机健康以及Ａ１１匝间短路故障下解析结果和有限元结果都具有较好的一致性ꎮ健康状态下ꎬ峰值解析结果与有限元结果的最大误差为１％ꎬ该误差是建模时忽略了磁路饱和㊁谐波等影响造成的ꎮＡ１１匝间短路故障下ꎬ峰值解析结果与有限元结果的最大误差为５.７５％ꎬ该误差是建模时忽略了ＩＳＦ故障对旋转磁场影响ꎬ忽略了磁路饱和㊁谐波等影响造成的ꎮ上述结果表明ꎬ所建立的匝间短路故障下不同位置处探测线圈反电势数学模型是正确有效的ꎮ图４㊀探测线圈反电势对比结果Ｆｉｇ.４㊀ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅＳＣｂａｃｋ￣ＥＭＦ８２１电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀３㊀匝间短路故障特征量研究可靠㊁有效㊁敏感的故障特征量对于匝间短路故障检测及短路线圈定位十分重要ꎮ本节根据所建立的探测线圈反电势矩阵ꎬ进行匝间短路故障检测及线圈组定位特征量研究㊁短路线圈定位特征量研究ꎮ３.１㊀探测线圈组为了得到故障定位特征量ꎬ将探测线圈进行分组ꎬ具体方式为:Ｘ相每条支路上第ｊ个线圈所在的定子齿上的探测线圈分成一个探测线圈组ꎬ该探测线圈组定义为ＳＣＧＸｊꎮ电机Ｘ相上探测线圈及探测线圈组的示意图如图５所示ꎮ图５㊀Ｘ相探测线圈组Ｆｉｇ.５㊀ＳＣｇｒｏｕｐｏｆＸｐｈａｓｅ３.２㊀匝间短路故障检测及定位特征量１)匝间短路故障检测及故障线圈组定位特征量ꎮ对于ＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭꎬ确定故障线圈组的位置需要先确定故障相的故障支路的位置ꎬ然后再确定短路线圈所在的线圈组的位置ꎮ为了能获取包含上述位置信息的特征量ꎬ对探测线圈组中的探测线圈反电势进行分析ꎮ将同一个探测线圈组中不同支路上的探测线圈反电势相减ꎬ所得差值就是探测线圈组中的探测线圈反电势差值(ｓｅａｒｃｈｃｏｉｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｂａｃｋ￣ＥＭＦꎬＳＣ￣ＤＢ)ꎬ其表达式为ｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)＝ｅＳＣ(Ｘｉｊ)－ｅＳＣ(Ｘｉᶄｊ)ꎮ(７)式中:ｅＳＣ(Ｘｉｊ)和ｅＳＣ(Ｘｉｊ)分别为ＳＣＧＸｊ中ＳＣＸｉｊ和ＳＣＸｉᶄｊ的反电势(ｉʂｉᶄ)ꎻｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)被定义为探测线圈ＳＣＸｉｊ与ＳＣＸｉᶄｊ反电势差值ꎮ当电机处于健康状态时ꎬ根据式(２)可知ꎬ探测线圈组中的各个探测线圈反电势幅值相同ꎬ因此ＳＣＤＢ为０ꎮ当定子线圈Ｘｉｊ发生匝间短路故障时ꎬ根据式(３)的第五行可知ꎬ非故障相Ｘᶄ上的探测线圈组中各个探测线圈反电势几乎不变ꎬ因此ＳＣＤＢ为０ꎮ对于故障相Ｘꎬ根据式(３)的第一和第四行可得ＳＣＧＸｊ中Ｘｉ支路与Ｘｉᶄ支路上的探测线圈之间的反电势差值ｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)为ｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)＝μＭαｄＩｓｆｄｔ＋ｎ((１－μ)＋１ｎμ)Ｍα＋λＭγ)ｄＩｃｄｔꎮ(８)根据式(３)的第四行可得ＳＣＧＸｊ中Ｘｉᶄ支路与Ｘｉᵡ支路上的探测线圈之间的反电势差值(ｉᵡʂｉꎬｉᶄ)ｅｉᶄｉᵡ－(Ｘｊ)为ｅｉᶄｉᵡ－(Ｘｊ)＝０ꎮ(９)对于线圈组ＳＣＧＸｊᶄ(ｊᶄʂｊ)ꎬ根据式(３)的第三和第四行可得ＳＣＧＸｊᶄ中Ｘｉ支路与Ｘｉᶄ支路上的探测线圈之间的反电势差值ｅｉｉᶄ－(Ｘｊᶄ)为ｅｉｉᶄ－(Ｘｊᶄ)＝ｎ(Ｍα＋λＭγ)ｄｉｃｄｔꎮ(１０)根据式(３)的第四行可得ＳＣＧＸｊ中Ｘｉᶄ支路与Ｘｉᵡ支路上的探测线圈之间的反电势差值ｅｉᶄｉᵡ－(Ｘｊ)为ｅｉᶄｉᵡ－(Ｘｊᶄ)＝０ꎮ(１１)由式(８)~式(１１)可知ꎬ当Ｘｉｊ匝间短路发生时ꎬ故障支路Ｘｉ与健康支路Ｘｉᶄ上的探测线圈之间反电势存在明显差值ꎬ故障相健康支路Ｘｉᶄ支路与Ｘｉᵡ支路上的探测线圈之间反电势差值为０ꎮ因此ꎬ可以根据同一探测线圈组中故障支路与健康支路的探测线圈间反电势差值非零ꎬ而健康支路间的探测线圈反电势差值皆接近于０的特点判定故障支路ꎮ确定故障支路后ꎬ需要进一步确定故障线圈组的位置ꎮ当Ｘｉｊ匝间短路发生时ꎬ对比式(１０)与式(８)ꎬ由于Ｉｓｆ远大于Ｉｃꎬ因此ｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)与ｅｉｉᶄ－(Ｘｊᶄ)存在以下关系:Ｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)<Ｅｉｉᶄ－(Ｘｊᶄ)ꎮ(１２)式中Ｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)和Ｅｉｉᶄ－(Ｘｊᶄ)分别为ｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)和ｅｉｉᶄ－(Ｘｊᶄ)的幅值ꎮ由式(１２)可知ꎬ当Ｘｉｊ发生匝间短路故障时ꎬＳＣＧＸｊ中的ｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)的幅值为所有ＳＣＤＢ中最大的ꎮ当Ｘｉ(ｊ－１)或Ｘｉ(ｊ＋１)发生匝间短路故障时(Ｘｉ(ｊ－１)ꎬＸｉｊꎬＸｉ(ｊ＋１)是同一线圈组中的线圈)ꎬ根据式(３)的第四和第五行可得非故障相Ｘᶄ上ꎬ及故障相Ｘ上ＳＣＧＸｊ㊁ＳＣＧＸｊᶄ中Ｘｉᶄ支路与Ｘｉᵡ支路上探测线圈间的ＳＣＤＢ为０ꎮ根据式(３)中第二㊁三㊁四行可得故障相Ｘ上ＳＣＧＸｊ㊁ＳＣＧＸｊᶄ中Ｘｉ支路与Ｘｉᶄ支路上９２１第３期陈㊀昊等:永磁同步电机匝间短路故障短路线圈定位方法探测线圈间的ＳＣＤＢ分别为:ｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)＝μＭγｄＩｓｆｄｔ＋ｎ(Ｍα＋((λ－μ)＋μｎ)Ｍγ)ｄＩｃｄｔꎻ(１３)ｅｉｉᶄ－(Ｘｊᶄ)＝ｎ(Ｍα＋λＭγ)ｄＩｃｄｔꎮ(１４)对比式(１３)与式(１４)ꎬ二者幅值大小关系为:当Ｘｉ(ｊ－１)或Ｘｉ(ｊ＋１)发生匝间短路故障时ꎬＳＣＧＸｊ中的ｅｉｉᶄ－(Ｘｊ)的幅值为所有ＳＣＤＢ中最大的ꎮ综上ꎬ当Ｘｉ(ｊ－１)㊁Ｘｉｊ㊁Ｘｉ(ｊ＋１)任意一个线圈发生匝间短路故障时ꎬＳＣＧＸｊ中ＳＣＸｉｊ与其他支路探测线圈间的ＳＣＤＢ大于ＳＣＧＸｊᶄ中ＳＣＸｉｊᶄ与其他支路上探测线圈间的ＳＣ￣ＤＢꎮ因此ꎬ可以根据故障线圈组对应位置处的探测线圈与其他支路的探测线圈的反电势差值幅值是所有ＳＣＤＢ中最大的特点判定故障线圈组的位置ꎮ综上ꎬ探测线圈组中的ＳＣＤＢ可以被用来进行匝间短路故障检测与故障线圈组的定位ꎮ根据上述分析可以看出ꎬ当线圈组中有３个线圈时ꎬ若要确定该线圈组是否为故障线圈组ꎬ仅需在第２个线圈所在定子齿上安装探测线圈ꎻ当线圈组中有两个线圈时ꎬ若要确定该线圈组是否为故障线圈组ꎬ仅需在任意一个线圈所在定子齿上安装探测线圈ꎮ因此第一节中所提出探测线圈阵列中的Ｔｙｐｅ－Ｉ型和Ｔｙｐｅ－ＩＩ型探测线圈作为ＩＳＦ诊断工具是有效的ꎮ为了验证故障线圈组定位特征量的有效性ꎬ以样机为例ꎬ在样机的每个线圈组中安装一个Ｔｙｐｅ－ＩＩ型探测线圈ꎬ样机Ａ相探测线圈及探测线圈组的示意图如图６所示ꎮ图６㊀样机Ａ相的探测线圈及探测线圈组Ｆｉｇ.６㊀ＳＣａｎｄＳＣｇｒｏｕｐｏｆＸｐｈａｓｅｉｎｍｏｄｅｌｍａｃｈｉｎｅ由于样机的每相和每个线圈组是等效的ꎬ因此Ｂ㊁Ｃ相的探测线圈与探测线圈组的安装与分组情况与Ａ相类似ꎬ表３列出了探测线圈及分组情况ꎮ表３㊀样机中探测线圈及探测线圈组Ｔａｂｌｅ３㊀ＳＣａｎｄＳＣｇｒｏｕｐｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｍａｃｈｉｎｅ所在相探测线圈组探测线圈ＡＳＣＧＡ１ＳＣＡ１１ꎬＳＣＡ２１ꎬＳＣＡ３１ＳＣＧＡ３ＳＣＡ１３ꎬＳＣＡ２３ꎬＳＣＡ３３ＢＳＣＧＢ１ＳＣＢ１１ꎬＳＣＢ２１ꎬＳＣＢ３１ＳＣＧＢ３ＳＣＢ１３ꎬＳＣＢ２３ꎬＳＣＢ３３ＣＳＣＧＣ１ＳＣＣ１１ꎬＳＣＣ２１ꎬＳＣＣ３１ＳＣＧＣ３ＳＣＣ１３ꎬＳＣＣ２３ꎬＳＣＣ３３将Ａ１１和Ａ１２构成的线圈组记为线圈组１ꎬＡ１３与Ａ１４构成的线圈组记为线圈组２ꎮ表４列出了健康㊁Ａ１１短路４８匝和Ａ１２短路４８匝的探测线圈组中ＳＣ￣ＤＢ的幅值ꎮ表４㊀不同匝间短路故障下探测线圈组中ＳＣＤＢ的幅值Ｔａｂｌｅ４㊀ＰｅａｋｏｆＳＣＤＢｉｎＳＣｇｒｏｕｐｕｎｄｅｒＩＳＦ探测线圈组ＳＣＤＢ幅值/Ｖ健康Ａ１１故障Ａ１２故障ＳＣＧＡ１ｅ１２－(Ａ１)０.０８８.０４３.９２ｅ２３－(Ａ１)０.０９０.２３０.２４ｅ３１－(Ａ１)０.０３７.９９３.９５ＳＣＧＡ３ｅ１２－(Ａ３)０.０５０.８４０.９９ｅ２３－(Ａ３)０.０９０.０９０.０９ｅ３１－(Ａ３)０.０８０.８９１.０１ＳＣＧＢ１ｅ１２－(Ｂ１)０.１１０.１４０.１６ｅ２３－(Ｂ１)０.０８０.１２０.１１ｅ３１－(Ｂ１)０.１１０.１３０.１１ＳＣＧＢ３ｅ１２－(Ｂ３)０.１２０.１２０.１２ｅ２３－(Ｂ３)０.１１０.１５０.２４ｅ３１－(Ｂ３)０.０９０.１５０.２３ＳＣＧＣ１ｅ１２－(Ｃ１)０.０９０.０９０.１４ｅ２３－(Ｃ１)０.０２０.１２０.１１ｅ３１－(Ｃ１)０.１１０.１３０.１７ＳＣＧＣ３ｅ１２－(Ｃ３)０.１１０.１２０.１４ｅ２３－(Ｃ３)０.０２０.０９０.０７ｅ３１－(Ｃ３)０.１１０.１３０.１４从表４中可以看出ꎬＢ㊁Ｃ相探测线圈组中ＳＣ￣ＤＢ的幅值很小且故障前后没有明显变化ꎮ对于Ａ相探测线圈组中的ＳＣＤＢꎬ当Ａ１１故障ＳＣＧＡ１中ｅ１２－(Ａ１)和ｅ３１－(Ａ１)的幅值相较于健康时有明显变化且大小相同ꎬｅ２３－(Ａ１)的幅值几乎没有变化且大小几乎为０ꎮＳＣＧＡ３中ｅ１２－(Ａ３)和ｅ３１－(Ａ３)的幅值相较于健康时有变化且大小相同ꎬ而ｅ２３－(Ａ３)的幅值几乎没０３１电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀有变化且大小几乎为０ꎮ上述ＳＣＤＢ幅值间的逻辑关系表明故障发生在Ａ相的Ａ１支路上ꎮ另外ꎬｅ１２－(Ａ１)的幅值为８.０４ꎬｅ１２－(Ａ３)的幅值为０.８４ꎬｅ１２－(Ａ１)的幅值大于ｅ１２－(Ａ３)的幅值ꎬ因此判定故障线圈组为线圈组１ꎬ而非线圈组２ꎮ该识别结果与预设故障情况一致ꎮ当Ａ１２故障ＳＣＧＡ１中ｅ１２－(Ａ１)和ｅ３１－(Ａ１)的幅值相较于健康时有明显变化且大小相同ꎬｅ２３－(Ａ１)的幅值几乎没有变化且大小几乎为０ꎮＳＣＧＡ３中ｅ１２－(Ａ３)和ｅ３１－(Ａ３)的幅值相较于健康时有变化且大小相同ꎬ而ｅ２３－(Ａ３)的幅值几乎没有变化且大小几乎为０ꎮ上述ＳＣＤＢ幅值间的逻辑关系表明故障发生在Ａ相的Ａ１支路上ꎮ另外ꎬｅ３１－(Ａ１)的幅值为３.９５ꎬｅ１２－(Ａ３)的幅值为０.９９ꎬｅ３１－(Ａ１)的幅值大于ｅ３１－(Ａ３)的幅值ꎬ因此判定故障线圈组为线圈组１ꎬ而非线圈组２ꎮ该识别结果与预设故障情况一致ꎮ上述结果验证了ＳＣＤＢ作为匝间短路故障检测与故障线圈组定位特征量的正确性与有效性ꎮ２)匝间短路故障线圈定位特征量ꎮ在确定故障线圈组后ꎬ为了确定具体发生匝间短路故障的线圈ꎬ对位于故障线圈组中的探测线圈反电势进行分析ꎮ根据电磁感应定律可知ꎬ探测线圈反电势大小与所在定子齿磁通有关ꎮ文献[１６]指出ꎬ线圈匝间短路前后故障齿中的磁通为ϕＦϕＨ＝Ｒｆ｜Ｒｆ＋ｊｋωηＮ２ｆＬ｜ꎮ(１５)其中:Ｒｆ为短路电阻ꎻｊ为虚数符号ꎻＬ为线圈的电感ꎻω为电机旋转的角速度ꎻη为线圈一匝电感与总电感之比ꎮ从式(１５)可以看出ꎬ匝间短路故障后故障齿上探测线圈中的磁通减小ꎬ反电势减小ꎮ对于集中绕组结构的电机来说ꎬ彼此相邻的定子齿中的磁通向量相差１８０ʎ电角度ꎬ因此与故障齿相邻的定子齿中的磁通增加ꎬ该齿上的探测线圈反电势增加ꎮ将实时获取的探测线圈反电势与电机健康状态下的探测线圈反电势相减ꎬ所得差值为该探测线圈反电势残差(ｓｅａｒｃｈｃｏｉｌｒｅｓｉｄｕａｌｂａｃｋ￣ＥＭＦꎬＳＣＲＢ)ꎬ其表达式为ΔｅＳＣ(Ｘｉｊ)＝ｅＳＣ(Ｘｉｊ)－ｅＳＣ(Ｘｉｊ)－Ｈꎮ(１６)式中:ΔｅＳＣ(Ｘｉｊ)为ＳＣＸｉｊ的反电势残差ꎻｅＳＣ(Ｘｉｊ)㊁ｅＳＣ(Ｘｉｊ)－Ｈ分别为实际获取的ＳＣＸｉｊ反电势的瞬时值和电机健康状态下ＳＣＸｉｊ反电势的瞬时值ꎮ当电机处于健康状态时ꎬ探测线圈的反电势残差为０ꎮ当电机发生匝间短路故障时ꎬ若短路线圈与探测线圈在同一个定子齿上ꎬ该探测线圈反电势残差小于０ꎻ若短路线圈与探测线圈相邻ꎬ该探测线圈反电势残差大于０ꎮ为了验证故障线圈定位特征量的正确性ꎬ以样机为例ꎬ分别对Ａ１１发生１００％匝间短路故障和Ａ１２发生１００％匝间短路故障时探测线圈ＳＣＡ１１的反电势及反电势残差进行分析ꎬ仿真结果如表５所示ꎮ表５㊀不同匝间短路故障下ＳＣＸｉｊ的探测线圈反电势残差Ｔａｂｌｅ５㊀ＳＣＲＢｉｎＳＣＸｉｊｕｎｄｅｒＩＳＦ故障线圈ＳＣＡ１１反电势幅值/Ｖ健康故障反电势残差/ＶＡ１１１５.９１８.７３－７.１８Ａ１２１５.９１１７.６７１.７６从表５中可以看出ꎬ当Ａ１１故障时ꎬＳＣＡ１１的反电势相较于健康时幅值减小ꎬＳＣＲＢ为－７.１８Ｖꎬ小于０ꎻ当Ａ１２故障时ꎬＳＣＡ１１的反电势相较于健康时幅值增加ꎬＳＣＲＢ为１.７６Ｖꎬ大于０ꎮ该结果与解析结果一致ꎬ验证了所提出的结论的正确性ꎬ说明了可以根据ＳＣＲＢ来实现短路线圈的定位ꎮ另外文献[１７]指出ꎬ故障线圈中的电流在定子齿中产生的磁通的相位与定子齿空间位置有关ꎮ不同线圈发生匝间短路故障时ꎬ同一个探测线圈的反电势相位不同ꎮ因此对于ａ型线圈组ꎬ进一步分析Ｔｙｐｅ－ＩＩ型探测线圈反电势相位即可确定短路线圈位置ꎮ综上所述ꎬＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ中故障线圈的位置ꎬ可以利用探测线圈组中ＳＣＤＢ的幅值最大值与故障线圈组中探测线圈的ＳＣＲＢ来确定ꎮ探测线圈阵列可以作为ＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭ匝间短路故障诊断的工具ꎮ４㊀实验与分析４.１㊀实验平台搭建为了验证本文所提出的永磁同步电机匝间短路故障定位方法的有效性与准确性ꎬ以文中的样机为研究对象搭建了实验测试平台ꎬ如图７所示ꎮ该实验测试平台由故障电机㊁驱动电机㊁转速转矩测量仪㊁工控机㊁驱动器㊁数据采集卡等构成ꎮ其中ꎬ驱动器用来驱动和控制样机ꎬ数字示波器用于显示对应电压波形ꎮ数据采集卡同步采集电机中探测线圈感１３１第３期陈㊀昊等:永磁同步电机匝间短路故障短路线圈定位方法应电势ꎬ数据采集器选取阿尔泰ＵＳＢ－３２０２Ｎꎬ其采用频率为２５０ｋＳ/ｓꎬ１６ＡＤＣ分辨率ꎬ增益误差为ʃ０.２％ꎬ输入阻抗为１０ＭΩꎮ图７㊀匝间短路样机实验平台Ｆｉｇ.７㊀ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐｏｆＭＢ￣ＤＤＰＭＳＭｗｉｔｈＩＳＦ如图７所示ꎬ为了研究早期匝间短路ꎬ将一个线圈拆分成了４个子单元ꎬ并将每个子单元的抽头两端接在外部的端子排上ꎮ将子单元的抽头并电阻并联就可以模拟电机发生匝间短路故障ꎮ下面对Ａ１１和Ａ１２分别短路５０％情况下进行实验研究ꎮ故障设置方法如下:将Ａ１１线圈(Ａ１２线圈)抽头所在的端子排上外接一个短路电阻ꎬ以模拟电机发生匝间短路故障ꎮ为了保证实验的安全性ꎬ将短路电阻设置为２Ωꎬ电机在空载条件下运行ꎮ４.２㊀匝间短路故障实验图８为Ａ１１和Ａ１２分别短路５０％情况下实测的各个探测线圈中的ＳＣＤＢ的幅值ꎮ从图８中可以看出ꎬ在两种故障情况下ꎬＡ１支路与Ａ２支路㊁Ａ１支路与Ａ３支路上探测线圈间的ＳＣＤＢ幅值明显大于０且大小几乎相同ꎬ而Ａ２与Ａ３支路上探测线圈间的ＳＣＤＢꎬＢ㊁Ｃ相探测线圈组中ＳＣＤＢ的幅值几乎为０ꎮ同时ｅ１２－(Ａ１)和ｅ３１－(Ａ１)的值远大于其它ＳＣＤＢꎮ上述实测的ＳＣＤＢ的逻辑关系说明:故障线圈组为线圈组１ꎬ短路线圈可能为Ａ１１或Ａ１２ꎮ该识别结果与样机实际设置的匝间短路故障一致ꎬ证明ＳＣＤＢ可以确定短路线圈组的位置ꎮ表６为Ａ１１和Ａ１２分别短路５０％情况下实测的和解析计算的ＳＣＡ１１的反电势与ＳＣＲＢ的幅值ꎮ从表６中可以看出ꎬＳＣＡ１１反电势幅值的实验结果与解析计算结果基本一致ꎬ其最大误差为４.１％ꎮ另外ꎬ由表６可知ꎬ当Ａ１１故障时ꎬＳＣＡ１１反电势幅值减小ꎬＳＣＡ１１的ＳＣＲＢ为－３.０５Ｖꎻ当Ａ１２故障时ꎬＳＣＡ１１反电势幅值增加ꎬＳＣＡ１１的ＳＣＲＢ为１.７９Ｖꎮ上述实验结果与３.２.２节中不同故障下ＳＣＲＢ的理论分析结果一致ꎬ证明ＳＣＲＢ可以确定短路线圈位置ꎮ图８㊀不同位置匝间短路故障时探测线圈反电势差值幅值Ｆｉｇ.８㊀ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｐｅａｋｏｆＳＣＤＢｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＩＳＦｌｏｃａｔｉｏｎ表６㊀不同匝间短路故障下ＳＣＸｉｊ的探测线圈反电势残差Ｔａｂｌｅ６㊀ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｏｆＳＣＲＢｉｎＳＣＸｉｊｕｎｄｅｒＩＳＦ短路线圈反电势(实验)/Ｖ反电势(解析)/ＶＳＣＲＢ/Ｖ健康故障健康故障实验解析Ａ１１６.３１３.２６６.１９３.０９－３.０５－３.１Ａ１２６.３１８.１７６.１９７.９８１.８６１.７９综上ꎬ利用所提出的故障特征量能够确定电机实际运行时发生匝间短路故障的线圈位置ꎮ同时ꎬ实验中所设置的短路匝数仅占相绕组总匝数的１２.５％ꎬ因此所提出的方法可以实现电机早期匝间短路故障的定位ꎮ２３１电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２７卷㊀。

专利名称：一种永磁同步电机定子绕组匝间短路故障诊断方法专利类型：发明专利
发明人：陈晓宇,方志平
申请号：CN202010765090.9
申请日：20200801
公开号：CN112083349A
公开日：
20201215
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提出的一种永磁同步电机定子绕组匝间短路故障诊断方法，首先，从传感器中获取k‑1时刻的三相定子电流，结合定子电阻模型构建当前状态变量矩阵X；再从编码器中得到永磁同步电机的电角度，计算电角速度和三相电压，构建输入变量矩阵u；然后，输入所设置的初始估计矩阵，根据k‑1时刻的状态量和误差协方差进行预估计得到更新后的k时刻的误差协方差和状态变量矩阵；最后，通过状态向量定义故障指标，当故障指标最大变化量超过阈值时，匝间短路故障诊定。

本发明诊断精确度高，不局限于两相模型，并把纳入计算的误差独立存在，不受测量数据的影响，同时便于实时处理，还兼顾了断相检测。

申请人：南通长江电器实业有限公司
地址：226000 江苏省南通市开发区民兴路2号
国籍：CN
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电动汽车永磁同步电机匝间短路检测算法仿真
王良成;汪源;张永辉
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2024(41)2
【摘要】当电机出现匝间短路故障时,电机内部电阻会大幅度降低,电流突增,造成其余元件功率过大问题。

若不能及时监测该故障电机将会导致二次损坏。

但是,由于短路故障具有瞬时性,其特征获取难度较大。

为此提出电动汽车永磁同步电机匝间短路故障检测方法。

构建驱动汽车的永磁同步电机模型,依据当永磁同步电机模型处于匝间短路故障状态时,基波电流与正序电流的制约关系失效的原理,提取电机匝间短路故障特征。

基于此利用粒子群算法-最小二乘支持向量机(Particle swarm optimization-Least Squares Support Vector Machine,PSO-LSSVM)获取故障检测结果,实现电动汽车永磁同步电机匝间短路故障的检测。

实验结果表明,研究方法在任意时刻检测到的负载力矩均与实际值吻合,且输出的电机残余能量具有较高可靠性,说明了上述方法具有较强的可应用性。

【总页数】5页(P167-171)
【作者】王良成;汪源;张永辉
【作者单位】三亚学院理工学院;海南大学信息与通信工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP277
【相关文献】
1.定子匝间短路的永磁同步电机建模与仿真
2.永磁同步电机匝间短路故障建模及仿真分析
3.基于Adaboost算法的永磁同步电机匝间短路故障诊断
4.基于多重同步压缩变换的永磁同步电机初期匝间短路故障检测
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永磁同步电机匝间短路故障在线诊断研究2500字分析永磁同步电机匝间短路故障常用的模拟方法，研究我国匝间短路故障诊断方法，在目前发展状况，预测定子匝间短路故障的处理方法，提出了针对解决匝间短路故障的解决注意问题。

永磁同步电机匝间短路故障不能被诊断得到纠正，会造成一定故障问题，需要及时对于故障进行诊断，对于影响车辆的正常运行，减少故障的破坏性，早期及时发现故障及时处理，减少故障诱发的停机问题，保障机器正常运转模式。

/3/view-13032379.htm永磁；同步；电机；匝间短路故障；诊断永磁同步电机的结构一般比较紧凑，体积比较小，重量比较轻，工作效率也比较高，工作具有很高可靠性，噪声比较低的特点。

在电动汽车驱动综合指标中，电动汽车的电机需要合理选择。

通常情况下电动汽车的运行环境比较复杂，会涉及到很多方面问题，比如振动、湿度、粉尘和频繁起动等问题，这些都会直接影响到电机安全运行问题，会诱发一定电机故障问题。

一、永磁同步电机定子匝间短路故障模拟方法分析永磁同步电机定子匝间短路故障诊断研究中，可以集中分为两个方面，要寻找故障特征量，判断故障发生，判定故障的严重程度，对于永磁同步电机定子匝间短路故障进行及时处理，总结变化规律，及时判断故障发生的原因，有效分析故障出现问题，利用有效办法解决故障问题，比如采用有限元分析方法，建立良好故障模型，减少故障发生，设定良好电机运行环境，对于电机故障仿真处理，分析形成故障原因，采用有效措施解决故障。

另一种办法就是建立永磁同步电机数学模型，借助仿真平台，提高故障处理，设定良好的接头和附加电阻，及时调整好电阻大小，分析定性电阻之间关系。

二、永磁同步电机定子匝间短路故障短路故障诊断方法研究分析在电机运行过程中，要提高内部空间存在的气隙磁场，电机中的点磁场要在不同媒质中分布，根据变化情况分析，实现对于电机运行状态性能分析，及时反映电机内部磁场的数学模型，运用良好的诊断方法对于电机进行分析研究，常用的方法有参数辨识法、卡尔曼滤波算法和磁通估计法等。

迫机＞易校镂丿应用2020,47(12)故障诊断与保护EMCA线间补偿型匝间短路故障自动容错永磁同步电机故障位置检测方法**景少勇，王旭平，白崟儒，李渊(太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原030024)摘要：定子绕组匝间短路故障是永磁同步电机(PMSM)最常见的故障之一。

该故障会造成三相电流不平衡，输出转矩剧烈波动，输出能力下降。

故障严重时，过大的短路电流会烧毁绕组。

为了解决匝间短路故障产生的问题，课题组此前提出了一种具有匝间短路故障自动容错能力的PMSM。

针对该特种电机,提出了一种匝间短路故障位置的检测方法。

介绍了电机的特殊结构，并通过数学模型推导出利用电机漏磁路特性和原有定子线圈判别故障线圈所在相的方法。

使用ANSYS软件建立电机有限元模型，对电机不同匝间短路情况进行仿真，验证了该检测方法的正确性。

关键词：永磁同步电机；匝间短路故障；短路电流抑制；故障位置检测中图分类号:TM351文献标志码：A 文章编号：1673-6540(2020)12-0087-05doi：10.12177/emca.2020.161Fault Location Detection Method for Inter-Line Compensation Permanent Magnet Synchronous Motor with Automatic Inter-Turn ShortCircuit Fault Tolerance*JING Shaoyong,WANG Xuping,BAI Yinru,LI Yuan(College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,China)Abstract:The stator winding inter-tum short circuit fault is one of the most common faults of permanent magnet synchronous motor(PMSM).This fault will cause imbalanced three-phase currents,leading to violent fluctuation of output torque and decreasing the output capacity.When the fault is serious,excessive short-circuit current will bum the winding.In order to solve the above problems caused by inter-tum short circuit faults,a PMSM with automatic inter-tum short circuit fault tolerance has been proposed.A detection method for inter-tum short circuit fault location is proposed for this special motor.The special structure of the motor is introduced,and then the method of judging the phase of the fault coil by the characteristics of the magnetic leakage circuit and the original stator coil is deduced through the mathematical model.Finally,the finite element model of the motor is established by ANSYS software, and the simulation of different inter-tum short circuit cases of the motor verifies the correctness of the detection method.Key words:permanent magnet synchronous motor(PMSM)；inter-turn short circuit fault；short circuit current suppression；fault location detection收稿日期：2020-09-16；收到修改稿日期：2020-10-16*基金项目：国家自然科学基金项目(51477110)；中国博士后科学基金项目(2018M640250)；山西省应用基础研究项目面上青年基金项目(201701D221145)作者简介：景少勇(1996-)，男，硕士研究生，研究方向为特种电机理论与控制技术。