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基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析摘要：为了保证永磁同步电机抗退磁能力仿真的准确性，本文提出了一种基于 Ansoft Maxwell 软件的永磁同步电机退磁仿真方法。
以12S10P磁同步电机为例(PMSM) ，首先详细的介绍了此退磁仿真的电磁设置；然后评估与验证了此退磁仿真方法的仿真值与实测值差异；最后提供了此仿真方法的问题与改进思路，为永磁同步电机退磁仿真提供了参考。
关键词：Ansoft；退磁引言在压缩机的应用工况下，为了保持整套系统的高可靠性，压缩机中所有零件都需要进行可靠性评估，使所有的零件都能保持在正常的状态下运行。
对于压缩机中的主要驱动零部件——电机来说，永磁体退磁是一个重要的指标[1]。
为了保证永磁同步电机按照设计的状态运行并达到设计的效果，永磁体需要在充磁饱和的状态下工作[2]。
当永磁同步电机转子永磁体发生不可逆退磁，整个电机将不再运行于最佳工作状态，进而影响到压缩机的性能。
因此对永磁同步电机进行抗退磁能力评估是一项重要的工作。
目前对于永磁同步电机的退磁电流的测试方法一般为：并接电机绕组某两相，给绕组通入电流使转子自动定位，并固定电机转子此时位置，随后通入反向电流，并对比测试通入退磁电流前后的线磁链值，以该值下降 3 % 为限定标准。
但是，目前采用的仿真分析方法为在永磁体上设定取样曲线，并计算施加退磁电流后取样曲线上剩磁回复值，按照剩磁平均值降低 3 % 为限定标准。
以上实验测试方法和仿真分析方法存在判定指标不一致的情况，因此为了提高仿真准确性以及仿真与测试的一致性，以及充分应用 Ansoft 的退磁仿真功能，本文对 Ansoft 的退磁仿真功能进行了研究。
1 Ansoft仿真分析软件退磁仿真1.1基本设置1.1.1电机退磁仿真工况电机运行状态按照正常的电机性能仿真设定，仿真模型为模拟电机正常运行并通入了较大电流时电机永磁体发生退磁的情况，按照 3 % 磁链降低为界限限定。
永磁同步电机模型预测控制及容错控制策略的研究永磁同步电机模型预测控制及容错控制策略的研究摘要：随着工业自动化技术的不断进步，永磁同步电机作为一种高效能、高动态响应、高功率因数的主动传动设备，得到了广泛的应用。
然而，永磁同步电机在实际运行中也面临着各种问题和异常情况的挑战。
本文以永磁同步电机的模型预测控制和容错控制策略为研究对象，对其进行分析和探讨，并提出相关解决方案。
一、引言永磁同步电机是一种高性能的电力驱动器，广泛应用于工业自动化领域。
其具有响应速度快、高效能、高功率因数等特点，但在实际运行中也会遇到一些异常情况，如电网故障、扰动等，需要进行相关的控制和管理。
二、永磁同步电机的模型预测控制研究永磁同步电机的模型预测控制是一种先进的控制策略，可以有效地解决电机模型不精确、外部扰动等问题。
该方法通过建立电机的数学模型，并根据该模型进行状态和输出的预测，从而实现更精确的控制。
在永磁同步电机的模型预测控制中，首先需要建立电机的数学模型。
该模型需要考虑电机的动态响应特性、电机转子位置、转子磁场等因素。
然后，通过模型预测，确定电机的最优控制量，并对其进行相应调节。
最后，将调节后的控制量输入到电机的控制器中，以实现对电机的精确控制。
三、永磁同步电机的容错控制策略研究在实际运行中，永磁同步电机可能会遇到电网故障、电机故障等异常情况。
为了保证电机的稳定运行，需要针对这些异常情况制定相应的容错控制策略。
容错控制策略通常包括故障检测、故障诊断和故障恢复三个阶段。
首先，需要对电机进行故障检测，通过监测电机的输入输出信号，判断电机是否出现异常。
然后，针对电机故障进行诊断，确定故障类型和位置。
最后，根据故障诊断结果，采取相应的故障恢复措施，保证电机的稳定运行。
四、相关解决方案的提出针对永磁同步电机的模型预测控制和容错控制策略，本文提出了一些相关解决方案。
在模型预测控制方面，可以采用基于最优化算法的模型预测控制方法，以提高控制精度和响应速度。
永磁同步电机的电磁设计方案1 永磁同步电机的基本原理和特点永磁同步电机是一种新型的高效电动机，具有高效率、高功率密度、快速响应等优点。
它是由永磁体和电磁线圈组成的，通过电磁线圈与永磁体之间的作用产生转矩。
与传统的异步电机相比，永磁同步电机的效率更高、速度更稳定，特别适合用于高精度控制等场合。
2 永磁同步电机的电磁设计要点永磁同步电机的电磁设计是实现高效率、稳定运行的关键。
其中，电磁线圈的参数包括绕组数、导线截面积、绕组方式、铁芯形状等。
以下是具体要点：2.1 绕组数和绕组方式永磁同步电机的电磁线圈绕组数一般较少，一般少于异步电机的绕组数。
而采用多相绕组的方式，能够显著提高电机的功率密度和效率。
另外，对于高功率密度的永磁同步电机，可以采用三绕组式结构，使电机的相序和匝数更加紧凑。
2.2 导线截面积电磁线圈导线的截面积是影响永磁同步电机性能的重要参数之一。
截面积过小会导致电流密度过大，产生过多的电流损耗和温升，进而影响电机效率和寿命，而截面积过大则会使电机结构过于复杂，增加成本和体积。
因此，需要根据电机的功率和运行条件确定合适的导线截面积。
2.3 铁芯形状永磁同步电机的铁芯形状对电机的功率密度和效率影响较大。
对于高功率密度的电机，可以采用扇形铁芯或双球面铁芯结构。
此外，还可以通过添加铁磁材料或采用不同的接头结构等方法改善电磁线圈的磁通分布，减小铁芯损耗和噪音。
3 永磁同步电机的优化设计方法为了实现永磁同步电机的高效率、高性能运行，可以采用以下优化设计方法：3.1 磁场分析和模拟通过磁场分析和模拟软件（如ANSYS、COMSOL等），可以快速计算电机的磁场分布、磁通密度等参数，进而优化电机的结构和参数选取，提升电机的性能。
3.2 合理的控制策略电机的控制策略对电机效率和性能影响很大。
常见的控制方法有矢量控制、直接转矩控制等，需要根据具体应用场景选择合适的控制策略。
3.3 多因素综合考虑永磁同步电机的电磁设计需要考虑多个因素的综合影响，如电机的功率密度、效率、噪音、成本等。
电力自动化设备Electric Power Automation Equipment0引言永磁同步电机（PMSM ）凭借其高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性的优势，成为电动汽车、飞机等驱动系统的主流电机之一。
对于高速运行的电动汽车、高铁、飞机或舰船而言，不受控制的输出力矩会影响其稳定性，进一步危及乘客的生命安全，因此电驱动的安全、可靠、耐久运行变得至关重要。
改善电驱动的可靠性、提高其故障容错性能已成为工业界和学术界的研究热点。
中华人民共和国汽车行业标准QC ／T 893—2011《电动汽车用驱动电机系统故障分类及判断》将电机及驱动的短路、开路故障分别列为致命及严重故障［1］。
如何保证其安全性，在故障模式下及时提供保护及处理机制，使电驱动系统故障后仍然能够“跛行回家”，成为对连续运行有着更高要求的电驱动系统容错运行的关键。
“容错”原是计算机系统设计技术中的一个概念，是容忍故障的简称。
工程上是指：在系统中，当一个或多个关键部件出现故障时，必须将故障部件从系统中隔离，然后采取相应的措施维持其规定功能，或在可接受的性能指标变化下，继续稳定可靠运行。
电驱动的故障容错包括两方面：一方面，在故障情况下能够继续运行；另一方面，在故障情况下需要提供故障保护以防止更恶劣的损坏。
在工业领域，容错通常指不降低或略降低性能运行；在安全性高的关键领域，由于其通常具有冗余，故障容错通常指故障保护。
故障多快能够被检测出来并提供容错机制也是故障容错需要解决的一个关键问题，如切除故障元件、启动备份等［2］。
因此，对容错的研究应包括3个方面：故障辨识、故障处理、故障修正。
本文对近年PMSM 及其驱动容错运行的研究现状进行归纳、总结和分析，将以安全、可靠、耐久为导向的电驱动系统容错运行研究分为4个层次：①容错能力的评估指标和方法；②故障辨识与预警；③容错系统的软件技术，通过容错控制深入挖掘现有系统的容错潜力；④容错系统的硬件技术，重构PMSM 电驱动硬件结构以实现容错。
永磁同步电机初始位置辨识脉冲电压法
《永磁同步电机初始位置辨识脉冲电压法》
永磁同步电机作为一种高效、节能的电机，在现代工业中得到了广泛的应用。
而在使用永磁同步电机时，初始位置辨识是一个非常重要的问题。
初始位置辨识的准确性直接影响到电机的性能和控制效果。
在永磁同步电机的初始位置辨识中，脉冲电压法是一种常用的方法。
该方法利用定子和转子之间的空气隙，在转子没有运动时，对定子施加一次性的脉冲电压，然后通过检测旋转过程中的电压、电流、位置信息，来确定转子的初始位置。
脉冲电压法的优点是简单易行、成本低廉。
它不需要额外的传感器或装置，只需要在电路控制系统中稍作调整即可实现初始位置辨识。
另外，该方法还可以在低速或停滞状态下进行初始位置辨识，适用范围广泛。
但是，脉冲电压法也存在一些局限性。
由于定子和转子之间的空气隙不是完全均匀的，因此在某些情况下可能会导致初始位置辨识的误差。
此外，该方法需要较高的电压和电流，可能会对电机和控制系统造成一定的影响。
为了提高脉冲电压法的准确性和稳定性，可以结合其他方法，比如加入自适应滤波、数字信号处理等技术，来对检测到的信号进行处理和优化，从而提高初始位置辨识的精度和稳定性。
总的来说，《永磁同步电机初始位置辨识脉冲电压法》是一种简单且有效的方法，适用于大多数永磁同步电机的初始位置辨识。
在实际应用中，需要根据具体情况加以调整和改进，以确保初始位置辨识的准确性和稳定性。
基于ANSYS的永磁直线同步电机的电磁仿真与分析金晓华【摘要】Analysis and calculation of electromagnetic fields are regarded as a central premise of electrical machinery design. This paper attempts to analyze the magnetic Helds of permanent magnet linear synchronous motor （PMLSM） by using ANASYS, a finite element analysis software tool. The simulation and analysis of the ANASYS provide distribution characteristics and law of electromagnetic fields of the inner side of PMLSM. And then force analysis of PMLSM is conducted by adopting Maxwell stress tensor method and virtual work method, aimed at providing a theoretical basis for impreving the force ripple of PMLSM.%电磁场分析计算是电机设计的重要前提，应用ANSYS有限元分析软件对一台永磁直线同步电机电磁场进行分析．通过ANSYS软件的仿真与分析，获得永磁直线同步电机内部电磁场分布特点和规律，再结合麦克斯韦应力张量法和虚功法对永磁直线同步电机进行推力分析，为改善永磁直线同步电机的推力波动提供重要的理论基础．【期刊名称】《南京工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(010)002【总页数】5页(P1-5)【关键词】永磁直线同步电机;ANSYS;有限元;推力波动【作者】金晓华【作者单位】南京工程学院电力工程学院,江苏南京211167【正文语种】中文【中图分类】TM359.4永磁直线同步电机是直接产生直线运动的电磁装置，它可以看成是从旋转电机演化而来，设想把旋转电机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了直线电机［1］，具有高速、高加速度、定位精度高和行程不受限制等优点，广泛应用于数控机床进给系统.但是永磁直线同步电机自身独有结构特点，其空载反电动势波形、端部效应、齿槽效应等，较易产生推力波动.推力波动问题是直线同步电机在实际应用中的关键点，传统的磁路法、图解法等很难精确计算直线电机电磁场量的分布，更不能精确求得其推力［2］.为从源头解决永磁直线同步电机的推力波动问题，本文将借助于有限元法求得电磁场的近似解.以永磁直线同步电机为模型计算电机的电磁场，其具体参数为:电机永磁体部分采用钕铁硼，其磁感应矫顽力Hc为870 kA/m;电机槽数为12槽;相数3;气隙0.8 mm;槽宽8 mm;槽深25 mm;齿间距15 mm;极距14 mm;永磁体高4 mm;永磁铁宽14 mm;永磁铁长120 mm;铁心高度42 mm;铁心长度180 mm.1 永磁直线同步电机电磁场计算为了建立合适的电磁场分析模型，根据永磁直线同步电机的特点和实际计算需要，将其作一定的假设［3-4］:1)磁路为线性，不考虑磁饱和效应;2)初级铁芯表面光滑;3)动子轭和定子轭部分各向磁导率同性，分别为μ1和μ2;4)永磁体X方向和Y方向上的磁导率等于空气隙磁导率μ0，且所有部分电导率为0;5)忽略Z轴方向磁场变化，各电流仅在Z轴方向流动，即只有Z向分量，因此，将电机实际三维场转化为平面二维场的问题进行分析．应用ANSYS软件计算电机的电磁场，首先用命令流形式编写了永磁直线同步电机的电磁场计算程序，程序分为前处理、求解、后处理三个部分.1.1 前处理选择单元类型为二维实体单元PLANE53，选择国际单位制(MKS)作为电磁场分析的单位制，定义空气\初级铁心\次级铁心\永磁体\线圈的材料属性，其中初级铁心为非线性材料(硅钢片DW310-35)，定义电机模型尺寸的相关参数.在直线电机中，由于纵向端部的存在，磁路不再呈现周期对称性，要准确计算直线电机的磁场分布，必须对整个初级和次级进行建模.此外，由于直线电机的敞开式结构，除气隙外，模型中还应该包括适当的介质——空气，先建立直线电机的几何模型，实现智能剖分网格，然后选择需要精细剖分的区域进行网格细剖，这样，就形成了直线电机的有限元分析模型，如图1所示.图2是局部剖分图，从中可以看出，电机模型的初级扼靠近空气部分划分比较均匀，越靠近线圈部分，划分的越细密，这样有利于进行更细致的求解.1.2 求解首先在有限元分析模型的边界节点处加载边界条件.在图1所示的直线同步电机模型中，将长端边界设置为一类边界条件，Az=0;将短端边界设置为周期性边界条件，且两端相等.通过将短边设置为周期性边界条件，可减小计算的工作量.然后为绕组加载电流源密度，考虑到永磁同步直线电机作为数控机床的精密伺服元件，在对电机进行矢量控制策略时，加载的电流源密度要符合控制策略.求解时需选择合适的求解直线电磁场问题的求解器，进行电磁场求解.1.3 后处理绘出二维磁力线分布图，如图3所示.由图可知，入端磁力线比出端磁力线稀疏，这正是边端效应的真实反映.磁力线经过电机扼部、电机齿部进入空气隙，并穿入次级导轨，再从另一个电机齿部进入电机扼部，最终完成一个极的磁通线闭合，这个过程是与普通旋转电机理论相符合的.通过选择查看磁场密度的矢量图后，可看到模型中的磁密矢量的大小和方向，如图4所示，图中颜色强度的变化代表模型中不同部位磁感应强度的大小，本文研究的永磁直线同步电机的大部分气隙磁密值约在0.61 T左右.2 推力分析推力是永磁直线同步电机非常重要的性能参数指标.在电磁场理论中，计算电磁力的基本方法有麦克斯韦应力张量法(Maxwell stress tensor，简称 MX)和虚功法(virtual work method，简称 VM)［4-6］.2.1 麦克斯韦应力张量法［7］根据麦克斯韦的观点，可以把作用在媒质任意区域上的体积力归结为这个区域表面S所受到的张力．如果两种媒质的磁导率为μa和μb，则在磁场中作用于物体表面上的力［4］为式中:Bn为磁通密度在S平面的法向量;Ht为磁场强度在S平面的的切向量，力的方向由磁导率大的介质指向磁导率小的介质．当两种介质分别是铁磁材料与空气时，力的表达式变为且F的方向总是由铁芯指向空气．2.2 虚功法虚功法是基于能量守恒原理与虚位移原理的一种计算电磁力的方法．当电磁装置的某一部分发生微小位移时(既可以是真位移，也可以是虚位移)，如在恒电流或恒磁链的条件下，整个系统的磁能会随之变化，则该部分就会受到电磁力作用．电磁力的大小等于单位微增位移时磁共能的增量(电流约束为常量)或单位微增位移时磁能的增量(磁链约束为常量)．当用有限元方法计算并假设磁链约束为常量时，用矢量磁势计算比较方便．磁场中物体所受力可表示为式中:Wm为磁场储能;ψ为磁链;x为位移;xk为虚位移．2.3 推力分析ANSYS软件包可方便地自动应用麦克斯韦应力张量法和虚功法计算得出电机模型的推力.在软件中定义定子电流的初始相位角和动子位移均为0，可得到两种计算方法下的推力仿真计算结果，如图5、图6所示，是所仿真分析的直线电机在气隙从0.5 mm变化到1.0 mm时的推力比较结果.通过图5和图6的仿真结果可以看出，麦克斯韦应力张量法和虚功法直线电机的推力计算的结果一致，当电机气隙从0.5 mm逐步增加到1.0 mm时，定位力也逐步增加.由于工艺要求和推力优化的角度考虑，选择气隙0.8 mm为最佳参数.通过获取不同气隙时的定位力，合理改变电流，这样可改善直线电机因气隙发生变化而导致的稳定性.在优化电机尺寸下获取电机的磁链数据，如图7所示，三相磁链为正弦波，且对称，这与永磁直线同步电机的工作原理一致.当电机工作电流增加至10 A时［8］，计算此时的永磁直线电机的推力，如图8所示，推力约为300 N左右，且波动比较小，可保证直线同步电机的稳定运行.此外，由图还可知，推力波动是位置的周期函数，推力波动的幅值随初级电流的增加而增加.由此可见，永磁直线同步电机的端部效应所引起的推力波动特性是一种周期性时变函数.另外，从图8还可知，采用虚功法仿真分析比麦克斯韦应力张量法分析得出的推力计算结果大致多10 N的力，且随着电角度的变化始终保持比较稳定的差值，这是与建模时电机模型的网格划分精度相关的，在提高网格划分精度后，两者的差值将会进一步缩小.3 结语本文利用ANSYS软件，首先建立永磁直线同步电机的有限元仿真模型，采用ANSYS软件分析了永磁直线同步电机内的磁场分布，并用麦克斯韦应力张量法和虚功法优化了定位力，计算有载时推力，为永磁直线同步电机的设计、优化以及推力控制和改善提供了有益参考.参考文献:【相关文献】［1］叶云岳.直线电机原理与应用［M］.北京:机械工业出版社，2000.［2］林健，左健民，汪木兰.直线电机应用于高速加工的关键技术［J］.现代制造工程，2007(4):114-118.［3］许智斌，方进，赵佳.直线感应电机的有限元仿真与分析［J］.微电机，2010，43(5):6-9. ［4］汤蕴缪.电机电磁场的分析与计算［M］.北京:机械工业出版社，2010.［5］戴魏，余海涛，胡敏强.基于虚功法的直线同步电机电磁力计算［J］.中国电机工程学报，2006，26(22):110-114.［6］黄明星，叶云岳.永磁电励混合励磁直线同步电机磁场的有限元分析［J］.机电工程，2004，21(11):34-38.［7］李庆雷，王先逵，吴丹.永磁同步直线电机推力及垂直力的有限元计算［J］.清华大学学报，2000，40(5):20-23.［8］戴魏，余海涛，胡敏强.直线同步电机运行分析［J］.电机与控制学报，2007，11(3):240-243.。
永磁同步电机的检测项目及检测方法
永磁同步电机的检测项目包括：
1. 绝缘检测：使用绝缘测试仪检测电机缠绕与地的绝缘电阻，以判断绝缘是否有破损或老化。
2. 磁极检测：使用磁场测试仪对电机的磁极进行测试，以确保磁极磁场稳定且没有变形。
3. 转子平衡检测：使用平衡测量仪对电机转子进行平衡检测，以确保电机在高速运转时不会出现震动和噪音。
4. 电气参数检测：包括电阻、电感、电容等参数的检测，以确保电机正常运行。
5. 动态特性检测：对电机进行电机启动、制动、转速等动态特性检测，以确保电机运行稳定。
永磁同步电机的检测方法包括：
1. 绝缘检测：使用绝缘测试仪进行检测，将测试仪的两个电极分别接在电机绕组和地上，测试仪会显示出绝缘电阻值。
2. 磁极检测：使用磁场测试仪进行检测，将测试仪放在电机磁极旁边，测试仪会显示出磁场值。
3. 转子平衡检测：使用平衡测量仪进行检测，将电机转子放入
平衡测量仪中，平衡测量仪会显示出转子平衡状态。
4. 电气参数检测：使用万用表等测试仪器进行检测，直接测量电机的电阻、电感和电容等参数。
5. 动态特性检测：使用测试系统对电机进行动态特性检测，通过对电机进行启动、制动、转速等测试，确定电机的运行状态。
文献翻译 题 目 利用电磁特性分析对永磁同步电机 进行故障诊断的新方法 学生姓名 黄建波 专业班级 电气工程及其自动化10级1班 学 号 541001020215 院 （系） 电气信息工程学院 指导教师 张志艳 完成时间 2014年 05月23日 1
利用电磁特性分析对永磁同步电机进行故障诊断的新方法 姚达，IEEE学生会员，石晓东，IEEE会员，马赫施·奎纳姆瑟，IEEE会员
摘要
本文提出了一种通过直接测量传感线圈的磁通量对永磁同步电机进行健康监测和多故障检测的新方法。不同于其他基于频谱的故障检测方案，这种方法仅需要测量用于故障检测的基频分量。因此，本方案的性能不受速度波动或者电源谐波的影响。此外，可以检测到匝间短路的位置和静态偏心的方向，这是其他方案都没有的。虽然是嵌入式技术，但它非常适合于关键任务和新兴技术的应用，离岸风力涡轮机和混合动力汽车技术，军事上的应用等故障的早期检测非常重要的场合。使用有限元分析进行二维模拟已经验证了不同条件下提出的方法。实验简介对定子匝间短路故障、失磁故障、静态偏心故障进行了讨论，对提出的方案进行实验，验证其有效性。 关键词：故障检测，有限元分析、永磁同步电机、传感线圈。 1.简介
过去十年，永磁同步电机(PMSM)由于其高效率、高输出功率体积比和高转矩电流比，在诸如风力涡轮机和电动汽车中得到了很大的普及。在这些关键任务的应用中，一个意想不到的机器故障可能会导致非常高的维修或更换费用，甚至灾难性的系统故障。因此，这种场合需要坚固可靠的健康监测和故障检测方法，可以为预防性维护提供依据，延长使用寿命，减少机器故障。 离线机故障检测与诊断的方法不能频繁地测试，经济上也不允许，研究人员已经提出了许多在线检测的方法，这类方法维修费用少、诊断结果更可靠。一个具有成本效益的方式是基于定子电流频谱，通常被称为电动机电流特征分析（MCSA）[1]-[6]。电机电流的特定次谐波可以作为某种特定故障的标志。由于离散傅里叶变换
(DFT)不包含机器操作和快速变化的速度的时间信息，短时傅里叶变换可以权衡时间和频率的分辨率。然而，一个固定长度的窗口可能导致不同的电流频率[7]不一致，改变电机的速度使它难以确定谐波次数。为了避免时间分辨率和频率分辨率之间的矛盾，罗赛罗等人[7]利用连续小波变换(CWT)和离散小波变换(DWT)在一台机器非平 2
稳状态下运行的退磁故障检测。埃斯皮诺萨等人[6]提出了相同的概念，采用希尔伯特-黄变换检测退磁。类似的方法也用于永磁同步电机[8]动态偏心故障检测。类似于目前的频谱，一些故障也隐藏在噪声、振动、转矩谱[9]-[13]。然而，由于加速度计、扭力计成本高，他们通常应用在相对较大的机器。这些频率分析算法比较费时，而且很难确定特定的谐波源。对于无刷永磁电机，由于部分退磁产生的谐波频率和动态偏心的标志一样，它们不能被区分开。在现实中，除了部分退磁，其他的不对称问题，如负载不平衡、失调，或振动载荷也可以产生[15]相同的谐波。 另一种故障诊断方法是基于电机模型。负序和零序电流[16]，[17]，负序和零序阻抗[18]，或负序和零序电压[19]，[20]作为故障检测指标。这些指标对于机器不对称故障很敏
感，故障产生的不对称信号可以被检测到。然而，任何不对称引起的机械结构或电源的不平衡可能会影响故障检测的准确性。基于电机模型，估计的物理参数，也可用于在线故障诊断，如定子电阻，电感，转子的转动惯量，摩擦，和反电动势常数[21]–[24]。在这种方法中，通常的电压、电流，和速度进行直接测量，其他参数是推算
出来的，当数据发生变化或者不对称的时候就能够及时发现故障。然而，这需要机器在正常运行状态下的准确参数。此外，要注意的是，这些方法不讨论以前提供的故障定位。 本文提出了一种利用测试线圈进行多故障检测的方法。这些线圈绕在电枢齿上，是嵌入式的，所以在制造或者制作绕组是就需要安装进去。事实上，对于电机故障检测，搜索线圈并不是一个新的概念。笔者等人[25][26]已经开发出一种方法，使用搜索线圈测量感应机的轴向漏磁信号进行感应电机中的一些常见故障的检测，如转子断条，绕线转子短路，匝间短路，偏心运转等。然而，他们也承认，由于电源中含有额外的谐波，而这种技术正是基于频谱分析，所以并不适用于变频调速系统。纳缇等人用安装在转子上的搜索线圈检测绕线转子的同步电机和双馈感应电机的定子匝间故障，这种方法基于测量搜索线圈电压的功率谱密度。在这种方法中，用搜索线圈测量定子中的磁通，只有测量电压的基频分量用于故障检测。所以他不受高频谐波的限制，这使得它适合于逆变/整流回馈电动机或发电机，如风力发电机和汽车系统。此外，该方法不需要机器参数的知识。而且，可以检测定子绕组短路准确位置和静态偏心的方向。 为了评估所提出的方案的有效性，已经对一个永磁同步电机进行了仿真和实验。偏心，电枢绕组匝间短路，和不同的负载条件下退磁已通过有限元分析（EFA） 3
模拟并进行了实验。 2.搜索线圈的实现原理
图1给出了本文的有限元模型的试验机，是通过一种商业的有限元分析软件Infolytica公司的MagNet建立的。这个三相Y型连接的电机有集中的电枢绕组和一个正弦反电动势。为了在测试阶段允许最大程度的自由，电机的定子齿上绕了12个搜索线圈，用来进行多故障检测与健康监测。每个搜索线圈测量四次，以减少测量的方差，获得更好的电压测量精度。它们的实现如图2所示。他们的电压被数据采集系统记录下来，以进行进一步的分析。实验实现的细节描述在第六节。 3.永磁体电机的故障类型
3.1偏心故障 电机的偏心故障会导致定子与转子之间的气隙不均匀。如果情况严重，不平衡磁拉力(UMP)可能会导致定子和转子接触[29]。通常，偏心分为三种类型：静态偏心，动态偏心，混合偏心。静态偏心的情况下，旋转轴有一个位移，通常是由于椭圆形定子或者轴承、定子或转子安装错位造成的。在这种情况下，气隙的长度在空间上是固定的。定子偏心率的表达式是[30]
gεess= (1)
式中sε是定子与转子轴的径向距离，g是平均气隙长度。偏心率的大小有如下限制 10se (2)
动态偏心故障时，定子的轴线与转子的旋转轴是重合的，但转子轴有一定角度的偏移。因此，最小气隙长度的位置是旋转的。这种情况下，通常是轴弯曲，或者安装错位引起的。同样，静态偏心率定义为
图1 测试机及其有限元模型 图2 测试机的搜索线圈及其有限元模型 4
gtgerddd
(3)
式中d是转子轴与定子轴之间的距离，r是转子的机械角速度。 混合偏心是静态偏心与动态偏心相结合，定义式是
)cos(222teeeegegeerdsdsdsm (4)
)cos()sin(tan1teeteerdsrdm (5)
式中是混合偏心角，相对于静态偏心方向。这是一个周期变化的变量。这样，气隙长度airl可以通过计算得出：
)(sin)cos(),(2222geRgeRtlmrmsair
(6)
式中是气隙的角位置，从o0到o360，sR和rR分别表示定子内径和转子外径。图3表示公式(6)气隙长度与静态偏心位置之间的函数关系，永磁同步电机气隙长度为0.635mm(0.025 in),sR为26.924mm(1.06 in),rR为26.289mm(1.035 in),此时0。
对于动态偏心的气隙长度，它具有完全相同的曲线，但它以和转子的速度相同的速度相同的速度朝一个方向运动。对于混合偏心，气隙长度仅仅是两者减去平均气隙长度再求和。 磁通量等于磁动势除以磁阻。在电机的磁路中，磁阻是气隙长度与背铁等效长度ironl的函数，其关系为
ironrironairairPMPMironairPMAlAtllHRRFt00),(),( (7)
式中是穿过搜索线圈的磁通量，PMF表示永磁体产生的磁动势，PMH表示永磁体在其工作点的磁场，PMl表示永磁体的厚度，airR和ironR表示气隙和背铁的磁
图3 静态气隙长度 5
阻，0表示空气的导磁率，r表示背铁的相对导磁率。如果只存在静态偏心，airl只是位置的函数，此时也是与时间无关的。如果存在动态偏心，是时间和位置的函数。 3.2电枢绕组短路
电枢绕组短路通常是由于绝缘失效引起的。他们通常分为相间短路，单相接地短路或匝间短路[ 16 ]。相间短路，保险丝可能烧毁，机器可能停机。相对地短路，如果机器继续运行，会出现一个很大的转矩脉动。匝间短路，故障绕组的有效匝要比其他健康组的有效匝少，所以可以通过机器的电枢电流、电枢磁动势找到不对称信号。这个特点可以作为本文的一个指标。图4显示了只考虑电枢磁动势时磁通的耦合路径。 由KCL，可以得到
cbaA212
1 (8)
式中A表示通过齿A的磁链，a表示齿A周围的一个线圈产生的磁链，b表示齿B周围的一个线圈产生的磁链，c表示齿C周围的一个线圈产生的磁链。向量图如图5所示。结果表明，当A相发生单相接地短路，仍然有1/3的磁链剩余，这是相邻的电枢绕组产生的。 3.3退磁
对于永磁体电机，现场故障通常和永磁体失效有关，最常见的问题就是退磁。退磁故障可能均匀地发生所有磁极或者某些特定的区域或磁极。可能导致永磁同步电机中永磁体退磁的条件包括： （1）高温或者冷却系统故障 （2）磁铁老化
图4 转子齿及背铁磁通路径 图5 三相磁链矢量图
