湖南大学科研人员提出永磁同步电机初期匝间短路故障检测的新方法

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永磁同步电机定子绕组相邻线圈之间绝缘的退化会导致匝间短路故障，而目前的研究较多集中于短路匝数辨识，较难在故障初期检测到绝缘电阻的退化过程。湖南大学机械与运载工程学院、车辆传动国家重点实验室（中国北方车辆研究所）的魏东、刘侃、丁荣军、胡伟、陈泳丹，在2022年第18期《电工技术学报》上撰文，基于匝间短路故障电机有限元联合仿真模型分析了剩余绝缘电阻对定子电流的影响，提出一种基于电流9次谐波的故障检测方法。 这种方法在时频域内可有效提取故障特征，并可解耦转速波动对故障检测结果的影响，因而能在稳态和瞬态运行工况下对剩余绝缘电阻从故障初期到晚期的退化趋势进行有效追踪。实验验结果显示，该方法对绕组剩余绝缘电阻衰减变化具有较高的监测精度，并且对于转速突变扰动具有优异的鲁棒性。

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM）由于其高效率、高功率和高转矩密度的特点被广泛使用。当电机频繁工作在过热、过电压、冲击环境下，可能会导致定子绕组匝间短路（Inter-Turn Short Circuit, ITSC）、永磁体永久性退磁、绕组开路、接地短路等多种电气故障。其中ITSC故障占比最高且往往是其他故障的起因。

ITSC故障的最初形态为定子绕组内相邻线圈之间绝缘的轻微退化，但短路电流产生的热量会加快此进程，进一步导致更严重的绝缘下降。然而，目前关于ITSC初期故障的研究较多集中于短路匝数的评估，但匝间剩余绝缘电阻通常设置为接近于零，即绝缘几乎完全失效。

在此实验条件下，尽管短路匝数较少，短路支路中仍会产生远超相电流幅值的短路电流，导致明显的转矩脉动和温升。初期ITSC故障形成后，只有绝缘退化到一定程度才会产生足够的热量导致附近线圈的大面积短路。因此，能够检测出绝缘电阻的退化情况具有重要的学术意义和工程价值。

现有ITSC故障检测主要可以分为三种类型，分别为基于模型、信号处理和数据驱动的方法。其中，基于模型的方法从故障机理出发，依据电磁场理论推导出故障模型，通过比较模型输出和故障阈值得到诊断结果。该方法通常需要设置一个较高的阈值以防止错误诊断，但ITSC初期故障特征微弱，难以触发故障预警。

此外，该方法高度依赖模型和电机参数的精度。基于数据驱动的方法利用大量实验数据和深度学习算法识别出故障特征相关的信息。该方法要求数据服从独立同分布的要求，而获取所需不同故障程度和不同工况下的实验数据存在一定难度，使得其难以应用于工程实际中。

考虑到电机内部的异常往往会在电流、电压、转矩、振动等信号中体现，湖南大学机械与运载工程学院等单位的研究人员采用基于信号的处理方法，通过在时频联合域内提取信号中和故障相关的特定谐波分量进行故障判定。他们建立了ITSC故障电机的有限元联合仿真模型，分析了不同短路匝数和不同剩余绝缘电阻对于定子电流的影响，并在此基础上提出了基于定子电流9次谐波的故障诊断方法。

研究人员指出，相比于3次谐波，9次谐波对于故障初期微弱特征更敏感。他们针对目前研究中匝间绝缘电阻往往设置为接近于0的实验方法、而无法体现故障初期微弱特征的情况，提出了对于匝间剩余绝缘电阻的检测方法。通过多重同步压缩变换算法对剩余绝缘电阻退化程度进行精确提取，并提出将多重SST三维时频矩阵重新映射到时域平面，得到特定阶次谐波幅值的时变特性，最终建立不受转速影响的故障指示器。该方法能够在电机稳态和瞬态运行工况下检测出故障发生的初期、晚期和故障程度的变化过程，相比基于3次谐波的方法具有更高的信噪比。

图1 实验平台及示意图

与以往的研究相比，该方法大幅降低了频谱混叠现象，可以更加精确地提取出故障特征相关谐波分量并构建故障指示。他们在一台24槽4极三相PMSM上进行了ITSC故障模拟检测，结果显示，该方法能够有效检测出故障程度由初期到晚期的变化过程，且在瞬态运行工况下对转速具有较好的鲁棒性，实现了对剩余绝缘电阻退化趋势的有效追踪。

另外，研究人员还对比了基于离散小波变换和变分模态分解的故障检测方法，进一步证明了该方法的有效性和优越性。他们进一步表示，虽然该方法可通过比较三相的故障指示幅值大小来判定故障所在相，但是如何确定短路匝的空间位置（如故障所在槽、线圈等），依然是当前工作难点和未来努力方向。

本文编自2022年第18期《电工技术学报》，论文标题为“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”。本课题得到国家自然科学基金项目和湖湘高层次人才聚集工程-创新人才项目资助的支持。

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