基于容错齿磁通的五相永磁电机匝间短路故障诊断_黄建.pdf

2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.14 第 38 卷第 14 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.221382 基于容错齿磁通的五相永磁电机匝间短路 故障诊断 黄 建1 尹佐生1 王天乙1 宋志翌1 隋 义2（1.北京自动化控制设备研究所 北京 100074 2.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001）摘要 匝间短路故障是一种常见的电机绕组故障，具有危害大、易扩散、诊断难的特点，是多相容错永磁同步电机研究过程中关注的重点。该文以一台高故障隔离能力五相永磁同步电机为基础，对基于齿磁通的故障诊断方法进行了研究。建立了五相永磁同步电机定子磁路模型，给出了匝间短路故障对绕线齿及容错齿磁通的影响规律。研究了不同绕制方式下探测线圈感应电动势随电机运行状态的变化规律，对各绕制方案的故障识别能力、故障灵敏度、复杂程度等进行了综合评价，提出基于容错齿磁通的匝间短路故障诊断方法，给出基于故障标志i的故障识别和定位方法。研究表明，当电机发生匝间短路故障时，故障相i值明显降低，剩余健康相i值接近于 1，根据这一特征可以对故障进行准确识别和定位。该方法不依赖傅里叶变换、不受负载和电机转速影响，具有准确度高、鲁棒性强的优点。该文进一步分析了槽口宽度、容错齿长度对故障敏感度和电机性能的影响，给出兼顾高低匝数短路故障诊断灵敏度和电机性能的尺寸选取方法。关键词：五相永磁同步电机 匝间短路 探测线圈 故障诊断 中图分类号：TM351 0 引言 相比传统三相永磁同步电机，多相容错永磁同步电机具备相冗余特性，故障下通过剩余相电流重构可以保证电机继续运行，极大地提高了系统的可靠性和容错性，在航空航天、电动汽车等对可靠性要求较高的场合具有良好的应用前景1-4。绕组开路和短路故障是电机的易发故障，对于多相容错永磁电机而言，想要做到开路、短路等故障情况下的快速响应和容错运行，电机系统本身需要具备能够识别绕组故障的快速准确故障诊断功能5-7。电机绕组故障会导致转矩、气隙磁通及电枢电压、电流、阻抗等物理量的畸变或不平衡，进而引起额外的振动噪声，现有方法一般通过对上述物理量的监测实现故障诊断。其中，绕组开路故障的诊断相对简单，当电机某一相绕组出现开路故障时，该相电流持续为零，并且谐波平面电流分量会出现畸变8-10，因此可以采取监测各相电流过零点，或检测谐波平面电流分量的方法对开路故障进行诊断，当前研究的重点在于缩短故障诊断周期，提高响应速度11。相比开路故障，电机绕组短路故障危害更大、诊断更为困难，尤其是匝间短路故障，当短路匝数较少时，故障特征不明显，诊断难度大12-13。当电机绕组出现短路故障时，一方面绕组阻抗特性会发生变化，影响电压激励下的电流响应；另一方面会导致各相电流或电压不均衡，使幅值、有效值和谐波成分等出现差异，进而导致零序电流电压和旋转坐标系下的电流电压分量出现畸变。文献14-15提出了基于高频电压注入的电机绕组故障诊断方法，在逆变器端施加额外的高频载波或调制波电压，通过测量绕组中高频电流分量对绕组状态进行监测，该方法不受基波电流频率的影响，对电机运行状态不敏感，适用于绕组匝间短路故障诊断。文献16-17建立了匝间短路故障数学模型，研究指出，匝间短 国家自然科学基金（52175038）和国家自然科学基金青年基金（51907009）资助项目。收稿日期 2022-07-19 改稿日期 2022-09-08 3734 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 路状态下定子电流和 dq 平面电流分量中会出现一定的谐波成分，通过采取快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation,FFT）提取特定次谐波可以实现对匝间短路故障的诊断，但这类基于 FFT 的故障特征提取方法易受电机工况影响，多工况下的匝间短路故障诊断存在难度。文献18-19指出，匝间短路故障会破坏电机各相电压的对称性，使零序电压发生畸变，通过搭建额外的三相阻抗平衡网络检测中性点电压可以实现对匝间短路故障的诊断，该方法适用于星形联结电机，且需要附加额外的电压检测电路。在电机定子齿部绕制探测线圈也是一种常用的匝间短路故障诊断方法，具有准确度高、响应快等优势20。文献21-22中电机每个定子绕线齿上均绕制一个探测线圈，各线圈相互串联，研究表明，电机未发生故障时，探测线圈电压只包含 3k次谐波，当出现短路故障时，电压中包含明显的 1次分量，通过对该 1 次分量的监测可以实现对匝间短路故障的诊断，但该故障诊断方法同样需要采用FFT 对故障特征进行处理，易受电机工况影响，并且对故障位置的判断比较困难。文献23采用的探测线圈为各齿独立布置，并未对线圈进行串联，该方法需要更多的检测通道，优点是对故障的定位更容易。文献21-23均选用探测线圈感应电动势低频分量作为故障特征，对低匝数匝间短路故障敏感度较弱，针对这一问题，文献24提出采用逆变器侧PWM 供电引起的探测线圈高频电压分量作为故障判据，该方法对低匝数匝间短路故障更为敏感，但同样需要采用 FFT 对故障特征进行处理，计算较为复杂，实时性难以保证。本文对基于探测线圈的五相永磁同步电机匝间短路故障诊断方法进行研究。分析了正常运行及匝间短路状态下的电机定子齿磁通分布规律，为故障诊断提供理论依据。研究了不同绕制方式下探测线圈感应电动势随电机运行状态的变化规律，针对传统方法对低匝数故障敏感度低、FFT 实时性差的问题，提出了基于容错齿磁通的匝间短路故障诊断方法，给出了故障识别和定位方法。分析了槽口宽度等关键尺寸对故障敏感度和电机性能的影响规律，给出了兼顾高低匝数短路故障敏感度和电机性能的尺寸选取方法。1 电机拓扑结构简介 本文所研究的五相永磁同步电机结构如图 1 所示。同一相绕组的两个线圈空间相邻排布，磁通相互耦合，从根源上降低相间磁耦合。同一相的两个线圈及不同相的线圈间通过容错齿实现物理和热隔离，不同相线圈间容错齿为槽漏磁通提供路径，避免一相绕组产生的槽漏磁通与相邻相绕组耦合，进一步阻绝槽漏磁引起的相间磁耦合。此外，还可以通过调整容错齿和绕线齿宽度配比提高电机基波绕组因数、降低谐波绕组因数，提高电机功率密度的同时实现对定子磁动势谐波的抑制，降低转子损耗。该电机主要结构参数及关键指标见表 1。图 1 五相永磁同步电机结构 Fig.1 Structural diagram of the five-phase permanent-magnet synchronous machine 表 1 五相永磁同步电机主要结构参数及关键指标 Tab.1 Main structual parameters of the five-phase permanent-magnet synchronous machine 参 数 数 值 定子外径/mm 120 定子内径/mm 66 气隙长度/mm 1 轴向长度/mm 100 最高转速/(r/min)10 000 额定电流/A 20 额定转矩/(Nm)20 2 正常运行及匝间短路状态下的定子齿磁通分布 2.1 正常运行状态 首先建立正常运行状态下该电机主磁路的等效磁路模型，如图 2a 所示。定义同相线圈间容错齿为容错齿，不同相线圈间容错齿为容错齿。为了简化分析，此处作如下假设：（1）铁心磁导率无穷大，忽略铁心磁压降。第 38 卷第 14 期 黄 建等 基于容错齿磁通的五相永磁电机匝间短路故障诊断 3735 （2）忽略定子开槽影响。（3）永磁体磁导率等于空气磁导率。（4）磁通沿径向方向穿过气隙。（a）等效磁路模型 （b）简化磁路模型 图 2 主磁通等效磁路和简化磁路模型 Fig.2 The equivalent and simplified magnetic circuit models of the main flux 在图 2a 中，FA1、FA2分别为 A 相 A1、A2 齿上线圈产生的磁动势；R0 为绕线齿齿顶到转子铁心之间的磁阻；R1为容错齿齿顶到转子铁心之间的磁阻；R2为容错齿齿顶到转子铁心之间的磁阻。FA1、FA2、R0、R1和 R2分别为 A1A2ef00efA1 0A2 00 t0ef0 t11ef221 ef0 t2efNINIb Lb LbFFRLRR=（1）式中，NA1、NA2分别为 A1、A2 齿上线圈串联匝数；I0为相电流幅值；ef0、ef1、ef2分别为绕线齿、容错齿、容错齿齿顶到转子铁心外表面间径向距离；bt0、bt1、bt2分别为绕线齿、容错齿、容错齿两侧槽口中心线间弧长；Lef为电机定转子铁心轴向长度；0为相对磁导率。进一步对图 2a 中的等效磁路模型进行简化，将A 相绕线齿和容错齿以外的并联磁路磁阻等效为R0，简化后的磁路模型如图 2b 所示。在图 2b 中，R0为 A相绕线齿和容错齿以外磁路对应的磁阻并联值，即 R0=R2/R2/R0/R0/R1，计算得到 R0表达式如式（2）所示；FA为定子铁心轭部到转子铁心之间的磁动势。根据简化磁路模型，由节点电流定律得到式（3）所示方程。()012122100845R R RR RRRRR=+（2）AA1AAA2A01000FFFFFFRRRR+=（3）根据式（3）可以得到 FA为()()10100A110A2A2FR RRFRRFRR+=+（4）进一步得到 A1、A2 齿及其他绕线齿和容错齿上的主磁路磁通分别为()()()()()()()()()A1A2A1mA-1A2A1A10010A1A2001001010010A2A2001001010A001001010Am2mA-2A11101A2m0A1A22222R RRRRFFRR R RRRRR RRRRFFRR R RRRRR RFRRR RRRRR RFRRFFFFFFFFFR RRF+=+=+=+=+()()()01010Am221001AA2012RRR RFRRR RRRRFF+=+（5）式中，mA-1、mA-2分别为 A 相 A1、A2 齿上的主 磁路磁通；m0、m、m分别为其他绕线齿、容错齿和容错齿上的主磁路磁通。在正常运行状态下，A1、A2 齿上线圈电流相等、匝数相同，即 NA1=NA2、FA1+FA2=0。此时，定子铁心轭部到转子铁心之间的磁动势 FA=0，说明在正常运行状态下，除 A1、A2 齿外，A 相线圈在其他所有绕线齿和容错齿上产生的磁通为零，即各相绕组产生的磁场仅分布在该相绕线齿上。除了图 2 所示的穿过电机气隙的主磁路磁通外，定子齿上还存在经由槽口和槽内区域闭合的槽漏磁通。以 A 相为例，槽漏磁通路径及等效磁路如图 3 所示。由图 3 中等效磁路可以得到 A 相绕线齿、容错齿和容错齿上径向磁通分别为 图 3 槽漏磁通等效磁路 Fig.3 The equivalent magnetic circuit model of the slot flux linkage 3736 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 ()()A1s1s2A1A1s2s1s1s2A2s1s2A2A2s2ssA-1sA-2sAsA-1sA-1s1s2A1A2A1A2s1s1s1A1s2As222FRRFFRRR RFRRFFRRR RFFFFRRRFRFR+=+=+=+=+=+=（6）式中，sA-1、sA-2、sA、sA-1、sA-2分别为 A相绕组在 A1、A2 绕线齿、容错齿和容错齿上 产生的槽漏磁通；Rs1、Rs2分别为图 3 A2 齿左、右侧槽对应的磁阻。在正常运行状态下，FA1+FA2=0、s1=0，即 A相绕组在容错齿上产生的槽漏磁通为零。此外，A 相绕组在绕线齿和容错齿上产生的磁通均不为零。有限元仿真得到该电机在正常运行状态下仅 A相绕组通电时的磁通分布，如图 4 所示。从图 4 中可以看出，A 相绕组产生的磁通仅分布在 A 相线圈所在绕线齿和容错齿上，其中，容错齿上还包含相邻相绕