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永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM）由于其高效率、高功率和高轉(zhuǎn)矩密度的特點(diǎn)被廣泛使用。當(dāng)電機(jī)頻繁工作在過(guò)熱、過(guò)電壓、沖擊環(huán)境下，可能會(huì)導(dǎo)致定子繞組匝間短路（Inter-Turn Short Circuit, ITSC）、永磁體永久性退磁、繞組開(kāi)路、接地短路等多種電氣故障。其中ITSC故障占比最高且往往是其他故障的起因。

ITSC故障的最初形態(tài)為定子繞組內(nèi)相鄰線圈之間絕緣的輕微退化，但短路電流產(chǎn)生的熱量會(huì)加快此進(jìn)程，進(jìn)一步導(dǎo)致更嚴(yán)重的絕緣下降。然而，目前關(guān)于ITSC初期故障的研究較多集中于短路匝數(shù)的評(píng)估，但匝間剩余絕緣電阻通常設(shè)置為接近于零，即絕緣幾乎完全失效。

在此實(shí)驗(yàn)條件下，盡管短路匝數(shù)較少，短路支路中仍會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)超相電流幅值的短路電流，導(dǎo)致明顯的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和溫升。初期ITSC故障形成后，只有絕緣退化到一定程度才會(huì)產(chǎn)生足夠的熱量導(dǎo)致附近線圈的大面積短路。因此，能夠檢測(cè)出絕緣電阻的退化情況具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程價(jià)值。

現(xiàn)有ITSC故障檢測(cè)主要可以分為三種類型，分別為基于模型、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法。其中，基于模型的方法從故障機(jī)理出發(fā)，依據(jù)電磁場(chǎng)理論推導(dǎo)出故障模型，通過(guò)比較模型輸出和故障閾值得到診斷結(jié)果。該方法通常需要設(shè)置一個(gè)較高的閾值以防止錯(cuò)誤診斷，但I(xiàn)TSC初期故障特征微弱，難以觸發(fā)故障預(yù)警。

此外，該方法高度依賴模型和電機(jī)參數(shù)的精度。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法利用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)算法識(shí)別出故障特征相關(guān)的信息。該方法要求數(shù)據(jù)服從獨(dú)立同分布的要求，而獲取所需不同故障程度和不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定難度，使得其難以應(yīng)用于工程實(shí)際中。

考慮到電機(jī)內(nèi)部的異常往往會(huì)在電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)等信號(hào)中體現(xiàn)出來(lái)，湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院等單位的研究人員采用基于信號(hào)的處理方法，通過(guò)在時(shí)頻聯(lián)合域內(nèi)提取信號(hào)中和故障相關(guān)的特定諧波分量進(jìn)行故障判定。他們建立了ITSC故障電機(jī)的有限元聯(lián)合仿真模型，分析了不同短路匝數(shù)和不同剩余絕緣電阻對(duì)于定子電流的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了基于定子電流9次諧波的故障診斷方法。

研究人員指出，相比于3次諧波，9次諧波對(duì)于故障初期微弱特征更敏感。他們針對(duì)目前研究中匝間絕緣電阻往往設(shè)置為接近于0的實(shí)驗(yàn)方法、而無(wú)法體現(xiàn)故障初期微弱特征的情況，提出了對(duì)于匝間剩余絕緣電阻的檢測(cè)方法。通過(guò)多重同步壓縮變換算法對(duì)剩余絕緣電阻退化程度進(jìn)行精確提取，并提出將多重SST三維時(shí)頻矩陣重新映射到時(shí)域平面，得到特定階次諧波幅值的時(shí)變特性，最終建立不受轉(zhuǎn)速影響的故障指示器。該方法能夠在電機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運(yùn)行工況下檢測(cè)出故障發(fā)生的初期、晚期和故障程度的變化過(guò)程，相比基于3次諧波的方法具有更高的信噪比。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及示意圖

與以往的研究相比，該方法大幅降低了頻譜混疊現(xiàn)象，可以更加精確地提取出故障特征相關(guān)諧波分量并構(gòu)建故障指示。他們?cè)谝慌_(tái)24槽4極三相PMSM上進(jìn)行了ITSC故障模擬檢測(cè)，結(jié)果顯示，該方法能夠有效檢測(cè)出故障程度由初期到晚期的變化過(guò)程，且在瞬態(tài)運(yùn)行工況下對(duì)轉(zhuǎn)速具有較好的魯棒性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)剩余絕緣電阻退化趨勢(shì)的有效追蹤。

另外，研究人員還對(duì)比了基于離散小波變換和變分模態(tài)分解的故障檢測(cè)方法，進(jìn)一步證明了該方法的有效性和優(yōu)越性。他們進(jìn)一步表示，雖然該方法可通過(guò)比較三相的故障指示幅值大小來(lái)判定故障所在相，但是如何確定短路匝的空間位置（如故障所在槽、線圈等），依然是當(dāng)前工作難點(diǎn)和未來(lái)努力方向。

本文編自2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于多重同步壓縮變換的永磁同步電機(jī)初期匝間短路故障檢測(cè)”。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和湖湘高層次人才聚集工程-創(chuàng)新人才項(xiàng)目資助的支持。