永磁同步电机匝间短路-退磁耦合故障分析
基于Ansoft的永磁同步电机早期匝间短路故障分析_朱喜华
基于Ansoft的永磁同步电机早期匝间短路故障分析_朱喜华基于Ansoft的永磁同步电机早期匝间短路故障分析朱喜华，李颖晖，张敬，李宁（空军⼯程⼤学⼯程学院，西安 710038）[摘要]针对路的⽅法的不⾜，建⽴了基于Ansoft的永磁同步电动机⼆维瞬态场有限元模型，利⽤Ansoft强⼤的电磁场分析和后处理功能，仿真得到了电机在正常和匝间短路2%、5%故障下的电磁场分布和相关性能曲线，并分析了各种条件下反电势的谐波含量，得出了反电势三次谐波含量随匝间短路程度加剧⽽减少等结论，为永磁同步电机定⼦绕组早期匝间短路故障诊断提供了依据。
[关键词]永磁同步电动机；Ansoft；有限元；匝间短路；故障诊断[中图分类号] TM313 [⽂献标识码]A [⽂章编号]1000-3983(2010)05-0035-05Analysis of Inchoate Interturn Short Circuit Faultfor Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Ansoft(Air Force Engineering University Engineering College, Xi’an 710038, China)ZHU Xi-hua, LI Ying-hui, ZHANG Jing, LI NingAbstract: Considering the defect of electric circuit method, This paper establish the two-dimensioninstantaneous finite element model of Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM ) based onAnsoft. The electromagnetic field distribution and relevant performance curves are obtained bysimulation using the powerful electromagnetic field analysis and post process functions of Ansoftwhen PMSM works normally and at 2%、5% interturn short circuit fault of the stator winding. Theharmonic content of back EMF when PMSM works at different conditions are analyzed. Conclusionsare drew such as that the third harmonic of back EMF decrease with the in crease of interturn shortcircuitwhich provide foundation for the diagosis of inchoate stator winding interturn short circuit ofPMSM.Key words: permanent magnet synchronous motor，ansoft，finite element, short circuit, faultdiagnosis引⾔稀⼟永磁同步电机是20世纪70年代初期出现的⼀种新型永磁电机。
永磁同步电机定子匝间短路故障阻抗参数分析
永磁同步电机定子匝间短路故障阻抗参数分析王延峰;赵剑锷;黄建波;王付宗【摘要】Permanent magnet synchronous motor's (PMSM's) equivalent circuit under the normal and inter-turn short circuit fault state was analyzed,the finite element analysis model was established,the inductance of the normal and fault turn under the fault was presented,and the relations of winding inductance,circuit,torque and the short turns number was analyzed.The results showed that the vibration of the torque was increased while the average was essentially invariant;The currents of each phases were increased and the phase where the inter-turn short circuit fault occurs increased more than the other normal phases,the short circuit current decreased with increasing fault turns;The inductance of normal phase was essentially invariant while the inductance of fault phase and short circuit turns relate the number of fault turn.%分析了正常和匝间短路故障状态下永磁同步电机(PMSM)等效电路模型,建立了PMSM的有限元分析模型,提出了故障状态下故障匝和正常匝电感的计算方法,得到了电机绕组电感、电流和输出转矩等参数与短路匝数的关系.分析结果表明故障状态下的转矩波动变大而平均值基本不变;三相绕组电流都会增加而发生短路故障的绕组相电流的增加幅度远大于正常相,短路电流随短路匝数的增加而减小;正常相的绕组电感基本不变,而故障相的绕组电感和短路匝的电感与短路匝数的平方有关.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2017(044)002【总页数】5页(P105-109)【关键词】永磁同步电机;匝间短路;故障分析【作者】王延峰;赵剑锷;黄建波;王付宗【作者单位】郑州轻工业学院电气信息工程学院,河南郑州450002;郑州科技学院电子工程系,河南郑州450064;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;东南大学建筑设计研究院有限公司,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TM307+.1永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)由于其结构紧凑、功率密度高、效率高和动态性能优良等得到了广泛的应用[1-2]，电机的运行环境也日益复杂，振动、温度、湿度以及频繁起动等因素都有可能导致电机故障。
永磁电机转子磁钢退磁问题分析
永磁电机转子磁钢退磁问题分析关于永磁同步电机转子磁钢退磁问题分析于平 2015年7月30日鉴于前期测试伺服电机及客户现场也有出现过伺服电机转子磁钢退磁的情况,经查阅相关资料并结合实验数据,对永磁体退磁原因进行如下分析。
永磁同步电机具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度、高调速范围等优点,现已广泛用于军事、工业、农业等各个领域,特别就是伺服行业,几乎都就是使用永磁同步电机作为执行机构。
但就是由于永磁体的热稳定性不良、设计经验不足以及使用不当等原因,会造成在使用过程中磁钢出现不可逆退磁。
磁钢退磁,会使电机的性能下降,甚至无法使用。
所以本文旨在从永磁材料、电机设计、电机使用等方面分析永磁体退磁原因,以供后续参考。
一、永磁体的特性1、永磁体的工作点及回复线1、1、永磁体的退磁曲线为直线时(图一),k点为退磁曲线的拐点,当电机带载工作点在k点之上就是,卸载后磁钢剩磁会沿着直线B r k回到B r点,当电机带载工作点在k点之下,如P 点,此时卸载后磁钢剩磁会沿着直线RP回到R点,此时已造成不可逆退磁。
1、2、永磁体的退磁曲线为曲线时(图二),当电机带载后,工作点为A1,卸载后,回复线不会与曲线A1R重合,而就是以A1A2S作为回复线,此时如果电机带载工作点不超过A1,则以A1A2R作为回复线,一旦带载工作点超过A1,假如到了A3点,则会以A3A4P作为回复线,长此下去,不可逆退磁将会越来越严重。
图一退磁曲线为线性时的永磁体工作图图二退磁曲线为曲线时的永磁体工作图2、温度特性温度的变化会引起磁钢性能的变化,特别就是钕铁硼永磁体,它对温度很敏感(图三),当温度超过一定值,材料磁性能将沿着曲线1逐渐降低,当温度恢复后,它的剩磁将会沿着曲线2进行恢复,造成不可逆退磁。
而从图四可以瞧出,常温下,钕铁硼永磁体的退磁曲线为一条直线,没有拐点,当温度上升时,永磁体的退磁曲线出现拐点且拐点值随着温度的上升而变得越来越大,最低工作点也将越来越高。
永磁同步电机轻微匝间短路故障的检测方法
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］。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
「精华」关于退磁你清楚吗？永磁电机退磁的原因以及预防措施
「精华」关于退磁你清楚吗？永磁电机退磁的原因以及预防措施来源：网络永磁电机一旦失磁，基本上只能选择更换电机，维修的成本又是一大笔，怎么去判断永磁电机失磁了呢，我们接着往下看。
1、机器在开始运行时电流正常，在经过一段时间后，电流变大，时间久了，就会报变频器过载。
首先需要确定空压机厂家变频器选型无误，再确认变频器内的参数是否被改动过。
如果两者都没有问题，则需要通过反电动势进行判断，将机头与电机脱开，进行空载辨识，空载运行至额定频率，此时输出的电压就是反电动势，如果低于电机铭牌上反电动势50V以上，即可确定电机退磁。
2、永磁电机退磁后运行电流一般会超出额定值较多那些只在低速或者高速运行才报过载或者偶尔报过载的情况一般不是退磁导致。
3、永磁电机退磁是需要一定时间的，有的几个月甚至一两年如果厂家选型错误导致报电流过载，不属于电机退磁。
电机退磁原因电机的散热风扇异常，导致电机高温电机没有设置温度保护装置环境温度过高电机设计不合理如何去预防永磁电机的退磁正确选择永磁电机功率退磁和永磁电机的功率选择有关。
正确选择永磁电机的功率可以预防或延缓退磁。
永磁同步电机退磁的主要原因是是温度过高，过载是温度过高的主要原因。
因此，在选择永磁电机功率时要留有一定的余量，根据负载的实际情况，一般20%左右比较合适。
避免重载起动和频繁起动笼型异步起动同步永磁电机尽量避免重载直接起动或频繁起动。
异步起动过程中，起动转矩是振荡的，在起动转矩波谷段，定子磁场对转子磁极就是退磁作用。
因此尽量避免异步永磁同步电机重载和频繁起动。
改进设计1：适当的增加永磁体的厚度从永磁同步电机设计和制造的角度，要考虑电枢反应、电磁转矩和永磁体退磁三者之间的关系。
在转矩绕组电流产生的磁通和径向力绕组产生的磁通的共同在作用下，转子表面永磁体容易引起退磁。
在电动机气隙不变的情况下，要保证永磁体不退磁，最为有效的方法就是适当增加永磁体的厚度。
2：转子内部有通风槽回路，降低转子温升影响永磁电机可靠性的重要因素是永磁体退磁。
《永磁同步电机常见故障原因及分析3400字(论文)》
永磁同步电机常见故障原因及分析1.1永磁同步电机故障类别电动汽车永磁同步电机的故障主要分为电机故障和电机控制器故障。
电动机是将电能转化为机械能，为车辆提供动力的关键部件。
这是一种典型的机电混合动力汽车。
任何系统出现故障或系统之间配合不当都会导致电机故障。
因此，电机故障比其他设备的故障更复杂，电机故障诊断涉及的技术范围更广。
此外，电机运行还与它的负载条件和环境因素有关，电机在不同的运行状态下，故障状态的表现是不同的，这进一步增加了电机故障诊断的难度。
一般来说，电机故障可分为过热故障、机械故障、电气故障。
1.1.1电机故障过热故障：当电动汽车频繁的过载，长时间大转矩输出，会使得电机的温度迅速上升从而使得温度过高长期发生此类现象会导致定子绕组间或匝间的绝缘层损坏，发生转子磁力消失故障和相间匝间短路等故障。
并且还由于在恶劣的工作环境下，可能会有未知的导体异物进入电机内部，导致电机发生单相甚至多相接地故障，由于这些因素导致电机的电源电压与绕组电压不稳定，过热故障就是电源电压不稳定导致电流过大定子绕组的热量上升，同时也包括机械上的原因产生的热量导致电机过热，电机的散热系统故障也是会导致电机过热。
机械故障：电动汽车中电机在开发设计的初期阶段有可能存在着设计结构或选择材料不合理，制造工艺未达标等情况，也可能电动汽车会行驶在超出预期的颠簸路段或处于一个高频率震动的工作环境中，使得电机的转子偏离平衡状态，轴承损坏弯曲，从而导致转子发生动静偏心等故障，这些故障都属于机械类故障。
而机械故障方面最为常见而且最主要的有定子铁心损坏、转子铁心损坏、轴承损坏和转轴损坏，其故障原因为由振动、润滑不充分、转速过高、静载过大、过热而引起的磨损、压痕、腐蚀、电蚀和开裂等；电气方面的故障则主要是定子绕组故障与转子绕组故障，故障原因包括电动机绕组接地、短路、断路、接触不良等。
电气故障：电气故障主要包括以下几类:IGBT故障、输入电源线和接地线故障、整流二极管短路、直流母线接地错误、直流侧电容短路、晶闸管短路、温度超限报警、相电流过流、过电压以及欠电压等高压电气系统故障。
永磁同步电机故障诊断研究综述
永磁同步电机故障诊断研究综述永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）是一种高效率、高功率因数的电机，由于其具有较高的控制精度和动态性能，被广泛应用于机械传动系统中。
然而，由于各种原因，永磁同步电机在实际运行过程中可能会出现各种故障，这些故障可能会导致其性能下降甚至完全失效。
对永磁同步电机的故障诊断研究非常重要。
本文将对永磁同步电机故障诊断领域的研究进行综述，并从以下几个方面进行讨论和探究。
一、故障分类和特征提取永磁同步电机的故障可以分为转子故障（如短路、断条等）、定子故障（如匝间短路、绝缘损坏等）以及电源故障等。
在故障诊断过程中，正确分类和提取故障特征对于准确判断和定位故障非常关键。
为此，研究者们通过分析电机的运行状态、电流、振动等多种信号，提出了各种故障特征提取方法，如时域分析、频域分析、小波变换等。
二、故障诊断方法和算法针对永磁同步电机故障诊断的需求，研究者们提出了多种故障诊断方法和算法。
其中，基于模型的方法通过建立电机的数学模型，利用状态估计和滤波技术来实现故障诊断。
基于信号处理的方法则是通过对电机输出信号进行处理和分析，提取其中的故障信息。
还有基于人工智能算法的方法，如神经网络、遗传算法、支持向量机等，这些方法通过学习经验数据，能够自动识别和判断故障。
三、故障诊断系统的设计与应用将故障诊断方法应用于实际永磁同步电机系统中，需要设计和搭建一个完整的故障诊断系统。
这个系统包括传感器采集模块、信号处理模块、故障特征提取模块、故障判断模块等多个部分。
通过将这些模块进行集成和优化，可以实现对永磁同步电机故障的实时监测和诊断。
四、未来研究方向和挑战尽管在永磁同步电机故障诊断领域已经取得了一些进展，然而仍然存在一些挑战和需要进一步研究的问题。
故障特征提取方法需要更高的精度和鲁棒性；故障诊断系统需要更加智能和可靠；故障诊断算法需要更高的效率和实时性。
《永磁同步电机故障排除及诊断流程分析综述2500字》
永磁同步电机故障排除及诊断流程分析综述目录永磁同步电机故障排除及诊断流程分析综述 (1)1.1电机过热故障诊断方法及检修 (1)1.1.1定子绕组短路故障诊断及检修 (1)1.1.2铁心过热故障诊断及检修 (3)1.1.3机械过热故障诊断及检修 (4)1.2永磁同步电机无法转动故障诊断及检修 (5)1.2.1永磁同步电机无法转动故障诊断方法及检修 (5)1.2.2电机控制器故障诊断及检修 (6)1.1电机过热故障诊断方法及检修1.1.1定子绕组短路故障诊断及检修诊断方法：(1)外部观察法。
观察接线盒、绕组端部有无烧焦，绕组过热后留下深褐色，并有臭味。
(2)探温检查法。
空载运行20分钟(发现异常时应马上停止)，用手背摸绕组各部分是否超过正常温度。
(3)通电实验法。
用电流表测量，若某相电流过大，说明该相有短路处。
(4)电桥检查。
测量个绕组直流电阻，一般相差不应超过5%以上，如超过，则电阻小的一相有短路故障。
(5)短路侦察器法。
被测绕组有短路，则钢片就会产生振动。
(6)万用表或兆欧表法。
测任意两相绕组相间的绝缘电阻，若读数极小或为零，说明该二相绕组相间有短路。
(7)电压降法。
把三绕组串联后通入低压安全交流电，测得读书小的一组有短路故障。
(8)电流法。
电机空载运行，先测量三相电流，在调换两相测量并对比，若不随电源调换而改变，较大电流的一相绕组有短路。
短路处理方法：(1) 短路点在端部。
可用绝缘材料将短路点隔开，也可重包绝缘线，再上漆重烘干。
(2)短路在线槽内。
将其软化后，找出短路点修复，重新放入线槽后，再上漆烘干。
(3)对短路线匝少于1/12的每相绕组，串联匝数时切断全部短路线,将导通部分连接，形成闭合回路，供应急使用。
(4)绕组短路点匝数超过1/12时，要全部拆除重绕。
定子绕组接错故障诊断方法及检修：(1)滚珠法。
如滚珠沿定子内圆周表面旋转滚动，说明正确，否则绕组有接错现象。
(2)指南针法。
如果绕组没有接错，则在一相绕组中，指南针经过相邻的极(相)组时，所指的极性应相反，在三相绕组中相邻的不同相的极(相)组也相反;如极性方向不变时，说明有一极(相)组反接;若指向不定，则相组内有反接的线圈。
永磁同步电机相间短路-概述说明以及解释
永磁同步电机相间短路-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容：永磁同步电机是一种新型的电机，具有高效、高能量密度、高功率因数和高控制性等特点，在工业和交通领域中得到了广泛的应用。
然而，由于其结构复杂且工作环境复杂，相间短路问题成为了限制其性能和可靠性的重要因素。
相间短路是指电机中两相之间发生了无法预测和控制的短路故障。
这种故障会引起电机的相电流异常增大，导致电机的工作异常和损坏，甚至可能引发火灾等严重事故。
相间短路问题已经成为了永磁同步电机领域中的一个研究重点和难点。
相间短路对永磁同步电机的影响是多方面的。
首先，相间短路会导致电机的输出扭矩异常增大或减小，进而影响电机的工作稳定性和控制性能。
其次，相间短路会产生额外的热量，加重了电机的温升问题，降低了电机的寿命和可靠性。
再次，相间短路还会引起电机的电磁噪声和振动增大，给使用者带来不良的使用体验。
因此，研究和解决相间短路问题对于提高永磁同步电机的性能和可靠性具有重要意义。
本文将从永磁同步电机的原理入手，深入探究相间短路的定义和产生机制，并分析相间短路对电机的影响。
在此基础上，结合实际案例，探讨相间短路的解决方法，并展望相间短路问题的未来发展趋势。
通过本文的研究，我们可以更好地理解永磁同步电机相间短路问题的重要性，并为解决这一问题提供有效的参考和措施。
同时，这也将促进永磁同步电机技术的进一步发展和应用，为实现清洁能源和可持续发展做出贡献。
1.2 文章结构文章结构部分内容如下：文章结构部分将提供关于本文的整体架构和组织方式的信息。
本文分为引言、正文和结论三个主要部分。
引言部分将概述整篇文章的主题，并介绍本文的目的和意义。
引言的核心目标是引起读者的兴趣并让他们了解到本文所要解决的问题。
正文部分将详细讨论永磁同步电机的原理、相间短路的定义以及相间短路对永磁同步电机的影响。
在正文部分，作者将深入分析并提供相关的理论、实验和研究结果，以支持对相间短路问题的讨论。
永磁同步电机匝间短路故障短路线圈定位方法
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。
基于Ansoft的永磁同步电机早期匝间短路故障分析
ｈ ｍｏ ｉ ｏ ｔｎ ｆ ａ ｋＥＭ Ｆｗｈ ｎＰ Ｓ ｒ ｓ ｔ ｉ ｅｅ ｔ ｏ ｄｔ ｎ ｒ ｎ ｌｚ ｄ Ｃｏ ｃｕ ｉｎ ｒ ａ ｎｃｃ ｎ ｅ ｔ ｃ ｏｂ ｅ Ｍ Ｍ ｗｏｋ ｆ ｒｎ ｎ ｉ ｏ ｓａ ｅａ ａｙ ｅ ． ｎ ｌｓｏ ｓ ａｄ ｃ ｉ
Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｃ ｏ ｔ ｎ ｅ ｔ ｒ ｈ ｒ ｒ ｕ ｔ ａ ｌ ａ ｙ ｉ ｆ ｎ ｈ ａ ｅＩ ｔ ｒ ｕ ｎ Ｓ ｏ ｔ Ｉ Ｃｉｃ ｉ Ｆ ｕ ｔ ｆ ｒＰ ｒ ａ ｅ ｔＭ ａ ｎ ｔ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｏ ｏ ｓ ｄ ｏ ｓ ｆ ０ ｅ ｍ ｎ ｎ ｇ ｅ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓＭ ｔ ｒＢａ ｅ ｎ Ａｎ ｏ ｔ Ｓ
引言
稀 土永 磁 同步 电机是 ２ 世纪 ７ 年代 初期 出现 的一 ０ ０ 种新 型永 磁 电机 。与传 统 电机 比较 ，稀 土永 磁 同步 电 动机无 需 电流励 磁 ，不设 电枢 和滑 环 ，结 构简 单 ，可 靠性 高 ；同时转 子 上无 励 磁损 耗 ，无 电刷 和滑 环 之 间 的摩擦 损 耗 和接触 电损耗 ，效 率 比 电磁 式 同步 电动机
（ ｉＦ ｒｅＥ ｇｎ ｅｉｇ ｉｅｓｙＥ ｇｎ ｅｉ ｏｌ ｅ Ｘｉ ｎ７ ０ ３ ， ｈｎ ） Ａ ｒ ｏｃ ｎ ｉｅｒ ｖ ｒｉ ｎ ｉｅｒ ｇＣ ｌ ｇ ， ’ １ ０ ８ Ｃ ｉａ ｎ Ｕｎ ｔ ｎ ｅ ａ
ＺＨＵ － ｕａ ＬＩＹｉ — ｕ ， Ｘｉｈ ， ｎｇ ｈ ｉ ＺＨＡＮ Ｇ ｉ ｇ ＬＩＮｉ ｇ Ｊｎ ， ｎ
永磁电机转子磁钢退磁问题分析
关于永磁同步电机转子磁钢退磁问题分析于平2015年7月30日鉴于前期测试伺服电机及客户现场也有出现过伺服电机转子磁钢退磁的情况，经查阅相关资料并结合实验数据，对永磁体退磁原因进行如下分析。
永磁同步电机具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度、高调速范围等优点，现已广泛用于军事、工业、农业等各个领域，特别是伺服行业，几乎都是使用永磁同步电机作为执行机构。
但是由于永磁体的热稳定性不良、设计经验不足以及使用不当等原因，会造成在使用过程中磁钢出现不可逆退磁。
磁钢退磁，会使电机的性能下降，甚至无法使用。
所以本文旨在从永磁材料、电机设计、电机使用等方面分析永磁体退磁原因，以供后续参考。
11.1kP点，此1.2R作为会与曲线A A2 2进行恢点，最低工3变化后,4体因为时效而退磁，因为钕铁硼永磁材料磁性能随时间的变化很小。
二、实际使用中引起永磁体退磁的主要原因电机实际使用中造成永磁体退磁的原因往往是几种退磁机理共同作用引起的，比如一台电机过载的同时，温度也会急剧上升，在两种机理的共同作用下，会更容易出现不可逆退磁。
所以综合起来引起钕铁硼永磁电机磁钢失磁原因集中在以下几个方面。
1、永磁体材料本身原因引起的退磁我们目前使用的伺服电机均是采用钕铁硼永磁体，钕铁硼永磁体具有高剩磁、高内禀矫顽力等优势，是目前磁性能最高的永磁材料，并且钕在稀土中的含量很高，铁、硼价格便宜，又不含战略物资钴。
但是钕铁硼永磁材料的不足之处是热稳定性差，我们使用的磁钢牌号为N38SH的钕铁硼永磁体耐温为150℃,只要温度超过150℃，将会造成不可逆退磁，此外钕铁硼永磁体含有大量的铁、钕金属材料，表面易氧化，一般会有环氧树脂涂层或者是电泳、电镀涂层，如果涂层工艺不合格，使用过程中也会因为永磁体局部氧化而造成退磁。
2、电机设计的原因引起的退磁如果电机设计时没有充分了解电机使用工况，使得实际工作点在退磁曲线拐点以下，那么在使用过程中将会出现不可逆退磁，此外通常设计时计算的工作点往往是永磁体的平均工作点，而由于永磁体材料局部的差异，还必须计算出永磁体的最大退磁工作点。
永磁发电机匝间短路故障研究现状
永磁发电机匝间短路故障研究现状嘿，伙计们！今天咱们聊聊那个老生常谈但总是让人头疼的问题——永磁发电机的匝间短路故障。
别急，听我慢慢道来，保证让你轻松掌握这门“电力修理课”。
得说说什么是匝间短路。
简单来说，就是磁铁线圈里的两个线头不小心“手拉手”了，就像两个小朋友玩捉迷藏时不小心跑到一起了。
这种情况听起来是不是有点儿“尴尬”？但别担心，我们这就来揭开这个神秘面纱。
说起匝间短路，那可真是个“小插曲”，但它可是个大问题。
想象一下，当你在享受一场精彩绝伦的电影时，突然屏幕上出现了雪花点，你的心情是不是瞬间从云端跌到了谷底？对，这就是匝间短路带来的影响。
它不仅会让发电机效率大打折扣，甚至可能让整个电网陷入瘫痪。
那么，如何才能预防匝间短路呢？这个问题的答案就像是在问：“如何防止孩子不打架？”答案嘛，当然是“好好教育，耐心引导”。
没错，就是要通过严格的安装标准、定期的检查和维护来避免这类事故的发生。
就像家长教育孩子一样，我们要确保每一个环节都符合安全规范，不给任何“小调皮”留下机会。
当然啦，如果不幸发生了匝间短路，那该怎么办呢？别慌，这里有几个“救急招数”供大家参考。
首先是“紧急停机”，就像遇到危险情况要立刻按下“SOS”，保护好自己最重要。
接下来是“快速诊断”，就像医生给病人做体检一样，我们要迅速找出问题所在，才能对症下药。
最后别忘了“专业维修”，就像生病了要找医生一样，找专业的团队来处理，才能确保万无一失。
说到这儿，你是不是已经迫不及待想要成为“电力维修专家”了呢？别急，这只是开始。
未来，随着技术的进步，我们相信永磁发电机的匝间短路问题一定会得到有效解决。
毕竟，科技的力量是无穷的，只要我们不断探索、勇于创新，就没有什么是不可能的。
好了，今天的分享就到这里。
希望我的“电力小课堂”能给大家带来一些启发和帮助。
记得哦，无论遇到什么问题，都要保持冷静，用科学的态度和方法去应对。
让我们一起努力，为清洁能源的发展贡献自己的力量吧！。
电动机匝间短路现象和诊断处理方法
电动机匝间短路现象和诊断处理方法电动机同一个绕组是由很多圈（匝）线绕成的，如果绝缘不好的话，叠加在一起的线圈之间会短路，这样一来，相当于一部分线圈直接被短路掉不起作用了。
匝间短路后，电机的绕组因为一部分被短路掉，磁场就和以前不同了，不对称了，而且剩余的线圈电流比以前大了，电机运行中会振动增大，电流增大，出力相对减小。
发生电机匝间短路，会有以下现象：1）被短路的线圈中将流过很大的环流（常达正常电流的2——10倍），使线圈严重发热；2）三相电流不平衡，电动机转矩降低；3）产生杂音；4）短路严重时，电动机不能带负载起动。
电动机的故障一般可分为电气故障和机械故障两种，其中绕组匝间故障是电动机本身的一种较为常见的电气故障。
电动机绕组匝间故障形成的主要原因有：绕组本身的线材质量不高、加工工艺性缺陷和各种过电压冲击损伤。
分析了其危害，并介绍了匝间故障的诊断和处理方法，还重点通过对低压散嵌绕组和高压成型绕组匝间故障的处理实例提出了增强匝间绝缘的方法。
1匝间故障的原因及危害（1）电动机绕组的匝间接触面积与绕组的匝长基本一样。
匝间绝缘往往是电磁线本身的绝缘或很薄的附加匝间绝缘，如薄膜或云母垫条等。
匝间绝缘的介电强度远不如对地绝缘。
此外，匝间绝缘在绕线、嵌线、拉形、复形、烘压等工序中都可能受到损伤。
(2)电动机在运行中绕组绝缘承受工频电压、瞬时过电压、操作过电压和雷电过电压。
这些电压同时作用于对地绝缘和匝间绝缘上。
额定匝间工［频电压仅几十伏，对匝间绝缘损伤少。
损伤匝间绝缘的主要因素是各种过电压。
过电压是一种非周期性的瞬态电压，称为冲击过电压，其峰值可高达额定电压的数十倍，波前时间可短至0.1us。
在幅值升降的同时以一定速度进入到电机绕组。
如果在波前时间内波前部分全部进入线圈第1匝内，则匝间绝缘承受到峰值电压，如果进入第1〜2匝内，则减为一半。
一般认为在高压电机中，由于导线排列整齐，冲击波的幅值均匀分布在绕组的第1只线圈各匝之间，匝间绝缘承受的冲击电压为幅值除以第1只线圈的匝数。
「深度」三相永磁同步电机的绕组断线、匝间短路、转子偏心以及永磁体退磁
「深度」三相永磁同步电机的绕组断线、匝间短路、转子偏心以及永磁体退磁【导读】目前用于电动汽车的电机类型主要有有刷直流电机、感应电机、永磁电机等，永磁同步电机具有效率高，功率密度和转矩密度大的优点，是极具发展潜力的电机类型。
但电机的工况恶劣、振动严重、工作环境温度较高等原因使得电机很容易发生故障，其常见的故障有匝间短路、转子偏心和永磁体退磁等。
本文将简要研究分析故障原因和机理，并建立起合适的故障工况下的有限元仿真模型，分析和提取其故障特征，并提出一些能应用于电机早期故障诊断的判断依据。
本文研究分析了三相永磁同步电机的绕组断线故障、匝间短路故障、转子偏心故障以及永磁体退磁故障。
1. 前言随着近年来环境污染和能源短的日益突出，世界各国开始相继重视这两个问题，并提出对策。
永磁同步电机作为一种高性能的交流电机，因其具有体积小，可靠性高，功率因数和功率密度高高，效率高等优点。
永磁同步电机的运行范围很宽，可以在其额定功率数值 25%-120%的范围内保持很高的运行效率，完全能够适应负载变化比较大的场合。
因此，永磁同步电机的发展和推广使用，将能够极大满足当今社会工业对高效电机的需求。
但与此同时，电机作为一个能够实现机电能量之间转换的系统，它的结构是由定子，转子，和轴承等电气系统和机械系统组成，其总体结构较为简单。
但电机工作时，具有复杂的机电能量转换过程，在长期运行中，受供电情况、负载工况和运行环境的影响，某些部件会逐渐失效，损坏。
电机的工作原理都是基于电磁理论，主要由电路（绕组）和磁路（铁芯）两大部分组成，其主要故障类型有绕组断线、绕组过热、匝间短路、绝缘老化、铁芯变形及电机转子偏心等，永磁同步电机因其转子上还装设有永磁体，还可能发生永磁体的不可逆退磁故障，总体来说，电机故障种类繁多，原因复杂。
电机集电气与机械部件于一体，加之处于高速运转状态中，故障征兆呈多样性，既有电气故障特性，又有机械故障特性；既有电气量(电压、频率、电流、功率等)，也有非电气量(热、声、光、气、辐射、振动等)。
永磁同步电机匝间短路故障在线诊断研究2500字
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。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。