基于跨极式探测线圈的双三相永磁同步电机故障诊断方法.pdf

第 27 卷 第 7 期2023 年 7 月电 机与控 制学报ElectricMachinesandControlVol.27No.7Jul.2023 基于跨极式探测线圈的双三相永磁同步电机故障诊断方法杭俊1,2,孙无双1,2,赖江龙1,2,丁石川1,2(1.安徽大学 电气工程与自动化学院,安徽 合肥 230601;2.安徽大学 高节能电机及控制技术国家地方联合实验室,安徽 合肥 230601)摘 要:针对双三相永磁同步电机发生匝间短路故障、偏心故障、退磁故障影响系统稳定运行的问题,为了能够及时诊断电机故障,提高双三相永磁同步电机可靠性,提出一种在定子齿部放置跨极式探测线圈的方法,实现双三相永磁同步电机故障检测与辨识。分析了跨极式探测线圈的工作原理,研究了双三相永磁同步电机在匝间短路故障、偏心故障、退磁故障下,跨极式探测线圈端口电压谐波变化规律,利用奇数次谐波来判断匝间短路故障和静态偏心故障,利用分数次谐波来判断局部退磁故障和动态偏心故障,给出了利用跨极式探测线圈进行故障诊断的思路。采用联合仿真研究验证了基于探测线圈故障诊断方法的有效性,为双三相永磁同步电机故障诊断提供了一种有效手段。关键词:探测线圈;匝间短路故障;偏心故障;退磁故障;双三相永磁同步电机;故障诊断;联合仿真DOI:10.15938/j.emc.2023.07.017中图分类号:TM351文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)07-0163-11 收稿日期:2021-05-30基金项目:安徽省自然科学基金优秀青年项目(2108085Y18);国家自然科学基金(52177027,51607001);安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2021090)作者简介:杭 俊(1987),男,博士,副教授,博士生导师,研究方向为电机状态监测与故障诊断、电机驱动与控制;孙无双(1996),男,硕士研究生,研究方向为双三相永磁电机故障诊断;赖江龙(1997),男,硕士研究生,研究方向为电机偏心故障诊断;丁石川(1980),男,博士,教授,研究方向为电机驱动与控制、电机故障分析与诊断。通信作者:杭 俊Fault diagnosis method of dual three phase permanent magnetsynchronous motor based on transpolar search coilHANG Jun1,2,SUN Wushuang1,2,LAI Jianglong1,2,DING Shichuan1,2(1.School of Electrical Engineering and Automation,Anhui University,Hefei 230601,China;2.National Engineering Laboratory of Energy-Saving Motor&Control Technology,Anhui University,Hefei 230601,China)Abstract:To address the problem of inter-turn short circuit fault,eccentricity fault,and demagnetizationfault in dual three phase permanent magnet synchronous motors(DTP-PMSMs),which affects the stableoperation of the system,a method of placing a transpolar search coil was proposed on the stator tooth torealize the fault detection and identification of DTP-PMSM.The working principle of the transpolar searchcoils was analyzed,and the harmonic variation law of the transpolar search coil voltage under inter-turnshort circuit fault,eccentricity fault,and demagnetization fault of DTP-PMSM was studied.Odd harmon-ics were used to judge inter-turn short circuit fault and static eccentricity fault,and fractional harmonicswere used to judge local demagnetization fault and dynamic eccentricity fault.The idea of using transpolarsearch coil for fault diagnosis was given.Keywords:search coils;inter-turn short circuit fault;eccentricity fault;demagnetization fault;dualthree phase permanent magnet synchronous motors;fault diagnosis;co-simulation0 引 言近年来,随着工业的发展,设备运行的可靠性愈发重要,其中,作为动力系统的电机,其运行的可靠也越来越受到重视。相较于传统三相永磁同步电机,多相永磁电机由于其转矩脉动小,容错能力强,可靠性高,可以实现低压大功率等优点,在电动汽车、风力发电等领域受到广泛关注1-3。其中,双三相永磁同步电机拥有多相电机的优点,其包含两套互差 30电角度的三相绕组,可以由两组独立的三相逆变器供电,拥有较好的应用前景4。永磁同步电机在运行过程中,可能会发生各类不同的故障。故障主要包括两类,一类是包括转子永磁体失磁故障与定子绕组短路故障在内的电气故障;另一类是包括转子偏心、轴承损坏在内的机械故障5。为了提高电机运行的可靠性,电机故障检测是不可 或 缺 的 一 环。电 机 故 障 检 测 的 方 法 有 许多6-7,其中,探测线圈,作为一种侵入式检测方法,可以在电机本体制造过程中就放置进去,其检测信号易于处理,检测精确度较高8。目前,探测线圈主要分为两大类,一类是放置在电机外部的外置式探测线圈9-12,该种方法主要是通过检测电机的漏磁通,进而根据故障下漏磁通变化进行故障诊断,但是电机漏磁通有较大局限性,因此该种方法应用不多。另一类是放置在电机内部,如在气隙或定子槽内放置的内置式探测线圈。针对内置式探测线圈,主要有两种放置策略:第一种是基于齿磁通的探测线圈,这种方法适用于集中式绕组电机。该方法需要在每一个定子齿上绕制探测线圈,提取每个探测线圈的反电势基波幅值,根据每个探测线圈的位置绘制雷达图,通过比较故障状态下与健康状态下雷达图,进而对电机故障进行诊断13-15。该方法检测精确度较高,能够有效地检测出匝间短路故障与偏心故障;另一种策略是基于磁场对称性的探测线圈。文献16利用两个探测线圈检测发电机绕组匝间短路故障。该方法利用磁场的对称性,仅针对一对极下的磁场进行检测,能够有效判断发电机匝间短路故障。在此基础上,文献17对探测线圈的反电势波形进行重构,提高了探测线圈的可靠性,进一步实现了永磁同步发电机的退磁故障在线诊断。目前,基于探测线圈的故障诊断取得了丰富的成果,仍存在一定的不足。如基于齿磁通的探测线圈需要在电机的每一个齿上安装探测线圈,安装成本较高,且检测方法较为复杂;基于磁场对称性的探测线圈仅分析了电机的匝间短路故障与失磁故障,研究不够深入,电机发生不同的故障可能会有相似的故障特征,这就导致发生其他故障时有可能导致误判。同时,基于探测线圈的故障诊断方法主要针对传统的三相电机。双三相电机较传统的三相电机结构更为复杂,绕组形式更为多样,现有的基于探测线圈的故障诊断方法难以直接套用到双三相电机,需要设计更适于双三相电机的探测线圈,进而实现双三相电机故障检测与辨识。为此,本文提出一种基于跨极式探测线圈的双三相永磁同步电机故障诊断方法。叙述跨极式探测线圈的布置方式,研究不同故障下(包括匝间短路故障、永磁体故障与偏心故障)探测线圈的端口电压与磁场变化的关系,阐述利用探测线圈端口电压实现故障诊断的原理,最后利用联合仿真方法验证提出的基于跨极式探测线圈的故障诊断方法的有效性。1 跨极式探测线圈工作原理1.1 跨极式探测线圈布置方式提出的跨极式探测线圈检测方法主要针对整距绕组的双三相永磁同步电机,不同槽极数的双三相电机可以根据探测线圈原理具体调整。探测线圈放置在定子槽口,需要在电机出厂时安装,即在完成绕组嵌线后,在槽口放置探测线圈,之后再嵌入槽楔。本文以一台 24 槽 4 极的双三相永磁同步电机为例,给出探测线圈的安装位置。如图 1 所示,在单元电机内,单个探测线圈的跨距为一个极距,共设置 2 个探测线圈,2 个探测线圈互差 180电角度。由图 1 所示,以基波磁场为例,电机正常运行时,基波磁场正弦且对称。单元电机内包含一对磁极,这样 2 个互差 180电角度的探测线圈在基波磁场的作用下就会产生 2 个正好相反的端口电压,再将 2 个探测线圈正向串联,这样基波磁场变化引起的探测线圈端口电压正好抵消,故基波磁场对称时,461电 机 与 控 制 学 报 第 27 卷探测线圈的端口电压应该为 0 V。因此,具体的探测线圈摆放为:设置 2 个探测线圈,每个线圈 5 匝,1 号线圈从 1 号槽进入,7 号槽伸出;2 号线圈从7 号槽进入,13 号槽伸出。再将这 2 个线圈顺接串联起来,这样就可以实现电机磁场对称性的检测。图 1 跨极式探测线圈布置方式Fig.1 Placement method of search coils1.2 跨极式探测线圈原理分析双三相永磁同步电机正常运行时,电机内部的磁场是由永磁体磁场和定子电流产生的磁场矢量合成得到的。在电机运行时,电机的永磁体提供了恒定的旋转磁场,同时三相正弦电流也会产生一个恒定的旋转磁场。假定电机工作在理想状态下,忽略电机开槽和饱和影响,电机磁场对称,对电机的气隙磁场进行傅里叶分解,电机气隙的磁场分布18可表示为B()=iBicos(i)。(1)式中:为电角度;i 为谐波次数。当电机运行时,通过绕在齿部的探测线圈的磁通随时间变化为(t)=rt+rti=1Bicos(i)lRd=lRi=1Biisini(rt+)-sin(irt)。(2)式中:l 为探测线圈的轴向长度;R 是探测线圈的轴心距离;r为电角频率;为探测线圈两个元件边横跨的电角度,=。故第一个探测线圈的端口电压 u1为u1(t)=-Nd1dt=-lRNiBii(ir)cosi(rt+)-cos(irt)=2lRrNiBisin(i2)sin i rt+2()。(3)同理,第二个探测线圈的端口电压 u2为u2(t)=2lRrNiBisin i2()sin i rt+2+()。(4)式中 为两个探测线圈互差的电角度,=。将两个探测线圈顺相串联起来,探测线圈端口电压相加,则探测线圈最终的端口电压为u(t)=u1(t)+u2(t)=4lRrNiBisin i2()cos i2()sini(rt+)。(5)由式(5)可知,当电机正常运行时,电机气隙磁场对称,探测线圈端口电压中的整数次谐波均被抵消掉,仅有分数次谐波磁场会对端口电压产生影响。然而,整距绕组的双三相永磁同步电机在正常运行时,气隙磁场中不会包含分数次谐波,因此,电机正常运行时,探测线圈端口电压输出为 0 V。电机发生故障时,电机的气隙磁场发生不对称变化。故障类型不同,气隙磁场变化情况也不同。当电机发生匝间短路故障时,电机永磁体产生的磁场仍是对称的,但绕组电流会发生不对称变化,故产生了不对称磁场。发生匝间短路故障时,相电流会出现明显的奇数次谐波19-22,故绕组产生的磁动势中也包含不对称的奇数次谐波,此时探测线圈中会感应出奇数次谐波。当电机永磁体发生故障时,故障部分的永磁体产生的磁动势与健康部分永磁体产生磁动势不再相等,此时电机气隙磁场发生了不对称变化,探测线圈出现明显的端口电压。当电机永磁体发生故障时,气隙磁通中会出现明显的(1 k/p)次谐波(k=1,2,3)23-24。因此,探测线圈端口电压中应出现明显的(1 k/p)次谐波。当电机发生静态偏心故障时,电机气隙不再均匀。即电机部分气隙增大,部分气隙减小。由于永磁体产生的磁动势是固定的,气隙长度的改变会直接改变气隙磁阻的变化。故气隙磁通也会产生不对称变化。但是由于不对称气隙是固定的,因此不会引入其他的谐波。故探测线圈端口电压应该出现奇数次谐波。当电机发生动态偏心故障时,电机气隙长度随电机旋转而变化,气隙磁场不再对称。发生动态偏心故障时气隙磁场会出现明显的(1 k/p)次谐波(k=1,2,3)24-25。故探测线圈端口电压应该出现明显的(1 k/p)次谐波。因此,可以依据探测线圈端口电压的谐波变化来实现双三相永磁同步电机故障诊断。561第 7 期杭 俊等:基于跨极式探测线圈的双三相永磁同步电机故障诊断方法2 有限元建模及联合仿真本文采用联合仿真方法验证探测线圈有效性。双三相永磁同步电机参数如表 1 所示,根据此建立了该电机的有限元模型,具体的联合仿真模型如图 2所示。表 1 双三相永磁同步电机参数Table 1 Parameters of DTP-PMSM 参数数值极数4相数6额定转速/(r/min)3 000额定转矩/(Nm)3额定电流/A1.2定子铁心长/mm80端部漏感/mH0.82每相线圈匝数140相电阻/2.65永磁体材料NdFe35SH永磁体剩磁/T1.23永磁体矫顽力/(kA/m)890图 2 联合仿真模型Fig.2 Co-simulation model图 2(a)是 24 槽 4 极双三相永磁同步电机的有限元模型及具体探测线圈摆放位置;图 2(b)为基于MATLAB/Simulink 的控制电路,能够根据电机实时反馈的位置、转速、电流等信息对电机进行控制;图 2(c)是基于 Twin builder 的电机外电路,其包含逆变电路与机械控制模块,能够对电机供电及进行负载设置。当电机发生不同故障时,修改有限元模型与 Twin builder 中的外电路,能够模拟出不同的故障。通过联合仿真,检测不同故障情况下探测线圈的端口电压。利用快速傅里叶变换方法得到不同故障情况下的探测线圈端口电压的频谱图,分析和归纳出不同故障下端电压的频谱变化情况,进而实现电机的故障检测与辨识。3 探测线圈端口电压分析以负载转矩 3 Nm,转速 2 000 r/min 为例,研究和分析双三相永磁同步电机在健康状态及不同故障情况下探测线圈端口电压的变化规律。此时基波频率为 66.666 7 Hz,一个电周期时间为 15 ms。3.1 健康状态电机的气隙磁场主要由永磁体磁场与电流产生的磁场叠加而成。当双三相永磁同步电机正常运行时,电机输入电流对称,永磁体分布均匀,因此电机的气隙磁场对称分布,且主要包含整数次谐波,分数次谐波幅值较小。因此,电机正常运行时,探测线圈的端口电压应该很小。图 3 为电机正常运行时的探测线圈端口电压。由图可知,电机正常运行时,探测线圈端口电压基本在 0 V 附近波动,其仿真结果和分析一致。图 3 电机正常运行时探测线圈端口电压波形图Fig.3 Voltage waveform of search coil under healthcondition3.2 匝间短路故障双三相永磁同步电机匝间短路故障的等效模型661电 机 与 控 制 学 报 第 27 卷如图 4 所示(图中:Ra1h、La1h、ea1h分别为 A1相健康部分绕组电阻、电感、反电势;Ra1f、La1f、ea1f分别为 A1相故障部分绕组电阻、电感、反电势;Rf为故障电阻)。A1相绕组发生故障后被分为了健康部分绕组与故障部分绕组,故障部分绕组由于故障电阻的原因,自身内部产生环流,产生故障电流 if。发生故障后,原本仅存在基波的相电流会出现较为明显的奇数次谐波,故障后的相电流不再对称,且故障电流较原相电流幅值、相位均有差别19-21,因此电机的气隙磁场也随之发生不对称变化。由于故障后相电流出现了明显的不对称奇数次谐波,因此,气隙磁场的不对称性也主要体现在奇数次谐波上,因此,当电机发生匝间短路故障时,探测线圈也会出现明显的奇数次谐波。图 4 匝间短路故障原理图Fig.4 Schematic diagram of ITSC faults定义匝间短路故障程度 mf为发生故障绕组的匝数 Nfault与健康相绕组匝数 Nhealth的比值f=NfaultNhealth。(6)这里设置 A1相为故障绕组,模拟了故障程度 mf从 0.05 0.7 的匝间短路故障。以故障程度 mf为0.3,故障电阻 Rf为 0.1 为例,研究了匝间短路情况下探测线圈端口电压的变化。图 5 为故障情况下探测线圈端口电压波形图。图 6 为端口电压的频谱分析结果。如图 5 和图 6 所示,当发生匝间短路故障后,探测线圈端口电压明显增大,且出现明显的奇数次谐波,其中主要包含 1、3、7、9、11 等次谐波。较正常情况易于判断。其中,15、17 次谐波很小。端口电压不包含偶数次谐波,也不包含分数次谐波。在此基础上,进一步分析了不同的故障程度 f对探测线圈端口电压的影响。其中主要针对可以用于判断故障类型的 3、15 次谐波进行了分析。图 5 匝间短路故障时探测线圈端口电压波形图Fig.5 Voltage waveform of search coil under inter-turn short circuit fault condition图 6 匝间短路故障时探测线圈端口电压频谱分析图Fig.6 Spectrum results of search coil voltage under in-ter turn short circuit fault condition图 7 为端口电压中 3 次和 15 次谐波幅值随故障程度 mf的变化曲线。由图可知,随着故障程度的增大,探测线圈端口电压中 3 次谐波会随之变化,且其中 15 次谐波幅值会略微增大,但是 3 次谐波幅值远大于 15 次谐波幅值。图 7 探测线圈端口电压中 3、15 次幅值随匝间短路故障程度变化趋势Fig.7Variation trends of the 3rd harmonic and 15thharmonic amplitude of search coil port voltagewith the change of inter turn fault severity3.3 永磁体故障永磁电机主磁场主要是由永磁体提供的,永磁761第 7 期杭 俊等:基于跨极式探测线圈的双三相永磁同步电机故障诊断方法体作为永磁电机的重要组成部件,该组件发生故障导致电机效率变低、转矩性能变差、振动和噪声增加26-27。本文针对两种永磁体故障进行了分析,均是针对单块永磁体故障情况进行的研究。一种情况是单块永磁体中部分体积的永磁体磁性完全消失,称之为永磁体损坏故障;另一种情况是永磁体的矫顽力由于某些原因而减小,称之为退磁故障。当永磁电机的永磁体发生故障时,电机的气隙磁场会出现明显的分数次谐波,电机的气隙磁场发生不对称性变化。因此,受到非对称气隙磁场的影响,探测线圈端口电压也会随之产生相应次数的谐波。对于本文提到的 4 极双三相永磁同步电机,永磁体发生故障后气隙磁场会出现明显的(1 k/2)次谐波,故探测线圈端口电压中也应该出现明显的(1 k/2)次谐波,其中 k 为整数。3.3.1 永磁体损坏故障假定永磁体发生部分损坏时,发生故障部分永磁体磁性完全失去。定义单个永磁体损坏率为Da=Vmagnet-VfaultVmagnet100%。(7)式中:Vfault是指单个永磁体损坏的体积;Vmagnet是指单个永磁体的总体积。这里模拟永磁体损坏率 Da为 5%75%等不同情况下的永磁体故障。图 8 为在永磁体故障率 Da为 30%时,探测线圈端口电压波形图,其频谱分析结果如图 9 所示。可以看出,单个永磁体部分损坏后,由于永磁体产生磁场发生了改变,探测线圈端口电压出现明显的分数次谐波,其中主要包含 1/2 次、3/2 次和 5/2 次谐波。相应的,偶数次谐波、奇数次谐波均不明显,基本可以忽略不计。图 8 永磁体损坏故障时探测线圈端口电压波形图Fig.8 Voltage waveform of search coil under PM dam-agefault condition图 10 为探测线圈端口电压主要谐波的幅值随故障率 Da变化趋势。由图可知,当发生永磁体损坏故障后,探测线圈端口电压主要由 1/2 次、3/2 次与5/2 次谐波组成,其中 1/2 次谐波幅值与 3/2 次谐波幅值接近。图 9 永磁体损坏故障时探测线圈端口电压频谱分析图Fig.9 Spectrum results of the search coil voltage underPM damage fault condition图 10探测线圈端口电压中 1/2、3/2、5/2 次谐波幅值随永磁体损坏率的变化趋势Fig.10 Variation trends of 1/2 harmonic,3/2 har-monic and 5/2 harmonic amplitude of searchcoil port voltage with the change of PM dam-age rate3.3.2 永磁体退磁故障当电机长期处于高温、高湿等恶劣环境时,永磁电机的永磁体可能发生不同程度的不可逆的退磁。本文研究了单个永磁体失去了部分能力时探测线圈端口电压变化。定义永磁体退磁故障的退磁率为De=HC-HCfaultHC100%。(8)式中:HC是正常永磁体矫顽力;HCfault是发生退磁故障后永磁体的矫顽力。采用的永磁体材料为 NdFe35SH,其矫顽力为890 kA/m。针对单块永磁体,模拟了 De为5%75%的退磁故障。以单个永磁体的退磁率 De为30%为例,探测线圈端口电压波形如图 11 所示,其频谱分析结果如图 12 所示。861电 机 与 控 制 学 报 第 27 卷图 11 退磁故障时探测线圈端口电压波形图Fig.11 Voltage waveform of search coil under demag-netization fault condition图 12 退磁故障时探测线圈端口电压频谱分析图Fig.12 Spectrum results of the search coil voltage un-der demagnetization fault condition由以上图可以看出,当发生故障后,探测线圈端口电压出现较大的 1/2、3/2 次谐波,其余次谐波相较之较小,谐波类型与之前单个永磁体退磁故障类似。不同退磁率 De情况下的探测线圈端口电压特征谐波变化如图 13 所示。如图所示,发生局部退磁故障之后,探测线圈端口电压中 1/2 次谐波占主要成分,且 1/2 次谐波幅值远大于 3/2 次谐波幅值。端口电压中基本不包含 5/2 次谐波。3.4 偏心故障电机发生偏心故障时,电机内部气隙不均匀,电机运行时会产生较大的电磁振动,严重影响电机的性能和使用寿命23。偏心故障一般分为静态偏心与动态偏心,其原理图如图 14 所示。其中图 14(a)是静态偏心,指电机的旋转中心与转子中心偏离了定子中心,而电机的旋转中心仍和转子中心重合。图 14(b)是动态偏心,指电机的转子中心偏离了定子中心与旋转中心,而电机的旋转中心仍与电机的定子中心重合。当电机发生静态偏心故障时,虽然气隙长度改变,但偏心位置固定,因此电机气隙磁场谐波不变,但是由于气隙磁阻发生变化,气隙磁场发生非对称变化,因此探测线圈端口电压出现明显的奇数次谐波;当电机发生动态偏心故障时,电机的气隙磁场中会出现明显的(1 k/2)次谐波磁场,其中k 为正整数。这些谐波磁场会导致端口电压出现相应次数的谐波。图 13探测线圈端口电压中 1/2、3/2、5/2 次谐波幅值随失磁率的变化趋势Fig.13 Variation trends of 1/2 harmonic,3/2 harmon-ic and 5/2 harmonic amplitude of search coilport voltage with the change of demagnetiza-tion rate图 14 偏心故障原理图Fig.14 Schematic diagram of eccentric fault3.4.1 静态偏心故障如图 14(a)所示,当电机发生静态偏心故障时,电机的转子发生了偏移,旋转中心也随之偏移,电机961第 7 期杭 俊等:基于跨极式探测线圈的双三相永磁同步电机故障诊断方法的转子能够围绕旋转中心平稳旋转,但是气隙不再均匀。其中,一部分气隙增大,一部分气隙减小.且气隙的不均匀分布是固定的。根据偏心原理,定义静态偏心率 Es为Es=ldelgap100%。(9)式中:lde是旋转中心与定子中心偏离的距离;lgap是气隙长度。这里设置 Es为 5%50%的偏心故障,当 Es为30%时,探测线圈端口电压波形图 15 所示,图 16 为端口电压谐波分量图。由图可知,当电机发生静态偏心故障后,探测线圈端口电压出现了明显的奇数次谐波,出现谐波类型与匝间短路故障类似。但是端口电压中出现了较为明显的 15 次谐波,与匝间短路故障有所区别。因此主要研究了不同静态偏心度Es下,3、15 次谐波的变化。如图 17 所示,其中端口电压中的 3、15 次谐波幅值均会随着静态偏心率 Es的增大而增大,且 3 次谐波幅值与 15 次谐波幅值接近。图 15 静态偏心故障时探测线圈端口电压波形图Fig.15 Voltage waveform of search coil under staticeccentricity condition图 16 静态偏心故障时探测线圈端口电压频谱分析图Fig.16Spectrum results of search coil voltage understatic eccentricity condition图 17 探测线圈端口电压中 3、15 次谐波幅值随静态偏心率变化趋势Fig.17Variation trend of the 3rd harmonic and 15thharmonic amplitude of search coil port voltagewith the change of static eccentricity ratio3.4.2 动态偏心故障如图 14(b)所示,当电机发生动态偏心故障时,定子中心仍与旋转中心重合,但旋转中心与转子中心发生偏移,随着转子的旋转,不均匀气隙也会随之改变。定义动态偏心率为Ed=lflgap100%。(10)式中:lf是旋转中心与转子中心偏移的距离;lgap是气隙长度。本文设置了动态偏心度 Ed为 5%50%的动态偏心故障,当 Ed为 30%时,探测线圈端口电压波形图如图 18 所示,其频谱分析结果如图 19 所示。图 18 动态偏心故障时探测线圈端口电压波形图Fig.18 Voltage waveform of search coil under dynamiceccentricity condition由图可知,当永磁电机发生动态偏心故障后,探测线圈端口电压出现了明显的分数次谐波,其中基本不包含偶数次谐波。与永磁体故障相比,端口电压的主要谐波分量由 1/2 次谐波变为了 3/2 次谐波。图 20 为端口电压主要谐波随动态偏心率的变071电 机 与 控 制 学 报 第 27 卷化趋势。由图可知,当电机发生动态偏心故障时,3/2次谐波幅值均大于 1/2 次谐波幅值,因此可以作为分辨永磁体故障与动态偏心故障的依据。图 19 动态偏心故障时探测线圈端口电压频谱分析图Fig.19Spectrum results of search coil voltage underdynamic eccentricity condition图 20端口电压中 1/2、3/2、5/2 次谐波随动态偏心率变化趋势Fig.20 Variation trends of 1/2 harmonic,3/2 har-monic and 5/2 harmonic amplitude of searchcoil port voltage with the change of dynamiceccentricity ratio4 结 论由上述研究和分析可知,当双三相永磁同步电机正常运行时,电机内部存在对称的气隙磁场,探测线圈的端口电压为 0 V。不同故障情况下,探测线圈端口电压会出现不同的波形。当发生匝间短路故障与静态偏心故障时,探测线圈端口电压中会出现明显的奇数次谐波;当电机发生永磁体或是动态偏心故障时,探测线圈端口电压会出现(1 k/p)次谐波。本文对一台 24 槽 4 极双三相永磁同步电机进行研究,通过仿真验证了探测线圈端口电压变化规律,同时给出了电机出现不同类型故障后探测线圈端口电压特征变化规律,并给出了判断故障类型的方法。首先提取探测线圈端口电压,判断是否出现明显的电压波形,若出现明显的端口电压,则对探测线圈的端口电压进行频谱分析:1)若探测线圈端口电压中出现明显的奇数次谐波,电机出现的故障可能是静态偏心故障或匝间短路故障。进一步对端口电压中的 3 次与 15 次谐波进行分析,若端口电压中的 3 次谐波幅值大于5 倍的 15 次谐波幅值,则电机发生了匝间短路故障,否则发生了静态偏心故障。2)若探测线圈端口电压中出现明显的分数次谐波,且不包含奇数次谐波时,电机发生的故障可能是永磁体故障或是动态偏心故障。此时,对端口电压中的 1/2、3/2 次谐波进行分析。当端口电压的1/2 次谐波幅值大于 2 倍的 3/2 次谐波幅值时,电机发生的是永磁体退磁故障。同时可以根据 5/2 次谐波的含量来进一步判断动态故障与永磁体损坏故障,若端口电压出现 5/2 次谐波,则电机发生的是永磁体损坏故障,反之则为永磁体退磁故障。综上所述,采用基于跨极式探测线圈可以有效地实现双三相永磁同步电机故障分类。下一步需要深入对探测线圈进行研究,包括利用探测线圈进行混合故障诊断,进一步实现不同故障的故障程度、故障位置的检测等。参 考 文 献:1ARUMUGAM P.Design optimization on conductor placement inthe slot of permanent magnet machines to restrict turn-turn short-circuit fault current J.IEEE Transactions on Magnetics,2016,52(5):1.2 ZAFARANI M,BOSTANCI E,QI Y,et al.Inter-turn short cir-cuit faults in permanent magnet synchronous machines:an extend-ed review and comprehensive analysisJ.IEEE Journal of Emer-ging and Selected Topics in Power Electronics,2018,6(4):2173.3 张建亚,王凯,朱姝姝,等.双三相永磁同步电机多谐波电流协同控制策略J.中国电机工程学报,2020,40(2):644.ZHANG Jianya,WANG Kai,ZHU Shushu,et al.Control strate-gies of dual three-phase permanent magnet machines with multi-harmonicsJ.Proceedings of the 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