本文提出了一种通过直接测量传感线圈的磁通量对永磁同步电机进行健康监测和多故障检测的新方法。不同于其他基于频谱的故障检测方案，这种方法仅需要测量用于故障检测的基频分量。因此，本方案的性能不受速度波动或者电源谐波的影响。此外，可以检测到匝间短路的位置和静态偏心的方向，这是其他方案都没有的。虽然是嵌入式技术，但它非常适合于关键任务和新兴技术的应用，离岸风力涡轮机和混合动力汽车技术，军事上的应用等故障的早期检测非常重要的场合。使用有限元分析进行二维模拟已经验证了不同条件下提出的方法。实验简介对定子匝间短路故障、失磁故障、静态偏心故障进行了讨论，对提出的方案进行实验，验证其有效性。
关键词：故障检测，有限元分析、永磁同步电机、传感线圈。
1.简介
过去十年，永磁同步电机(PMSM)由于其高效率、高输出功率体积比和高转矩电流比，在诸如风力涡轮机和电动汽车中得到了很大的普及。在这些关键任务的应用中，一个意想不到的机器故障可能会导致非常高的维修或更换费用，甚至灾难性的系统故障。因此，这种场合需要坚固可靠的健康监测和故障检测方法，可以为预防性维护提供依据，延长使用寿命，减少机器故障。
离线机故障检测与诊断的方法不能频繁地测试，经济上也不允许，研究人员已经提出了许多在线检测的方法，这类方法维修费用少、诊断结果更可靠。一个具有成本效益的方式是基于定子电流频谱，通常被称为电动机电流特征分析（MCSA）[1]-[6]。电机电流的特定次谐波可以作为某种特定故障的标志。由于离散傅里叶变换(DFT)不包含机器操作和快速变化的速度的时间信息，短时傅里叶变换可以权衡时间和频率的分辨率。然而，一个固定长度的窗口可能导致不同的电流频率[7]不一致，改变电机的速度使它难以确定谐波次数。为了避免时间分辨率和频率分辨率之间的矛盾，罗赛罗等人[7]利用连续小波变换(CWT)和离散小波变换(DWT)在一台机器非平稳状态下运行的退磁故障检测。埃斯皮诺萨等人[6]提出了相同的概念，采用希尔伯特-黄变换检测退磁。类似的方法也用于永磁同步电机[8]动态偏心故障检测。类似于目前的频谱，一些故障也隐藏在噪声、振动、转矩谱[9]-[13]。然而，由于加速度计、扭力计成本高，他们通常应用在相对较大的机器。这些频率分析算法比较费时，而且很难确定特定的谐波源。对于无刷永磁电机，由于部分退磁产生的谐波频率和动态偏心的标志一样，它们不能被区分开。在现实中，除了部分退磁，其他的不对称问题，如负载不平衡、失调，或振动载荷也可以产生[15]相同的谐波。
另一种故障诊断方法是基于电机模型。负序和零序电流[16]，[17]，负序和零序阻抗[18]，或负序和零序电压[19]，[20]作为故障检测指标。这些指标对于机器不对称故障很敏感，故障产生的不对称信号可以被检测到。然而，任何不对称引起的机械结构或电源的不平衡可能会影响故障检测的准确性。基于电机模型，估计的物理参数，也可用于在线故障诊断，如定子电阻，电感，转子的转动惯量，摩擦，和反电动势常数[21]–[24]。在这种方法中，通常的电压、电流，和速度进行直接测量，其他参数是推算出来的，当数据发生变化或者不对称的时候就能够及时发现故障。然而，这需要机器在正常运行状态下的准确参数。此外，要注意的是，这些方法不讨论以前提供的故障定位。
本文提出了一种利用测试线圈进行多故障检测的方法。这些线圈绕在电枢齿上，是嵌入式的，所以在制造或者制作绕组是就需要安装进去。事实上，对于电机故障检测，搜索线圈并不是一个新的概念。笔者等人[25][26]已经开发出一种方法，使用搜索线圈测量感应机的轴向漏磁信号进行感应电机中的一些常见故障的检测，如转子断条，绕线转子短路，匝间短路，偏心运转等。然而，他们也承认，由于电源中含有额外的谐波，而这种技术正是基于频谱分析，所以并不适用于变频调速系统。纳缇等人用安装在转子上的搜索线圈检测绕线转子的同步电机和双馈感应电机的定子匝间故障，这种方法基于测量搜索线圈电压的功率谱密度。在这种方法中，用搜索线圈测量定子中的磁通，只有测量电压的基频分量用于故障检测。所以他不受高频谐波的限制，这使得它适合于逆变/整流回馈电动机或发电机，如风力发电机和汽车系统。此外，该方法不需要机器参数的知识。而且，可以检测定子绕组短路准确位置和静态偏心的方向。
为了评估所提出的方案的有效性，已经对一个永磁同步电机进行了仿真和实验。偏心，电枢绕组匝间短路，和不同的负载条件下退磁已通过有限元分析（EFA）模拟并进行了实验。
Infolytica公司的有限元分析软件MagNet仿真了安装有搜索线圈的永磁同步电机的不同故障条件。本节介绍了二维有限元模拟的结果。
测量12个搜索线圈不同负载条件下的电压，分解得到2个极图，如图7所示。图7表示了(a)电枢反应电压和(b)感应磁场电压。不同的颜色代表不同的负载状态。每条曲线都有12个星号，代表12个定子磁极，每一对磁极之间有30度的机械角度。极图中，星号与极图中心的距离代表测量线圈的电压。
图7的两个极图表明，在不同负载条件下，电枢电压分量与负荷成正比，而励磁分量电压保持相同，除了直轴电枢有感应磁动势的干扰。
图8表示电机在0.127 mm(0.005 in,20%)和0.254mm(0.01 in,40%)的静态偏心条件下，测量电压的励磁分量与正常情况下的对比。偏心的方向是正上方，在向量图中对应于90度。这种轻微的变化，在图中是90都，是很容易观察到的。
图9表示30%动态偏心的情况。可以看出有45度的位置变化，是采集数据时转子发生变化的方向。动态偏心时，变化的方向随着同步转速旋转，图9表示在任意瞬间的分布。
图10表示三种0度匝间短路的情况，分别为齿周围1匝、2匝和3匝电枢线圈发生匝间短路。这个位置安匝发生变化会导致电枢磁动势失真。可以看出，不同数量的匝间短路是可以被区分开来的。
图11表示三相中有一相接地的情况。就像在第四节解释的那样，A相的齿有1/3的磁链幅值，分别在、、和的位置，由相邻相产生，B相和C相的齿有5/6的磁链幅值。
图12表示发生部分失磁的电机测量电压的励磁分量，分别为1/4极失磁20%和50%。由于转子以同步转速旋转，这个图像中的曲线是时变的，以同步转速旋转并保持形状不变。
图13表示一台均匀失磁的电机在任意时刻测量电压的励磁分量，所有磁极分别发生20%和50%的失磁。因为磁极处于均匀失磁状态，尽管图中红色的曲线以同步转速旋转，但其形状是不变的。因此，通过检测线圈的测量电压的励磁分量可以得到永磁体性能的恶化情况。
实验设置了一个匝间短路故障，电机重绕以便在两个绕组模式之间切换。一个无故障，另一个A相的定子齿A3发生四匝短路故障。图16是对定子进行重绕的过程。
图17是A相的四个定子极的搜索线圈的电压。其中交轴电流为0.5A(矢量控制)。重绕的电机定子极A3发生4匝短路(每相一共18匝)。可以看出，A3脉冲(红色曲线)的幅度较低，这表明互感也比较小，说明A3绕组发生短路。图18是搜索线圈电压分解后的电枢分量。12条线代表一周12个定子极。可以看出，线圈A3的电枢分量小于其他组，这是比其他组少了4匝有效匝造成的。
将图18转换到极坐标得到图19，这张图更明确地说明了电机在发生匝间短路故障的情况。
实验也验证了电机的静态偏心故障的情况。为了创建一颗可预测的偏心，两个端板的内槽接地，加进去两块电工胶带。图20展现这种方案。
电机的气隙长度是25mils(0.635mm)，转子轴发生了大约7mils(电工胶带的厚度0.1778mm)的错位，使其发生大约28%的偏心。图21表示交轴电流设为0.4A，发生静态偏心时，A相4个定子极搜索线圈的电压。从图22可以看出，这4条曲线有不同的基波幅值。
分解后，A相每个搜索线圈的测量电压的励磁分量如图22所示。图像表明，定子齿A4的励磁分量最高，A2最低，A1和A3居中。表明A4方向发生偏心，气隙长度最短。
将12个搜索线圈的励磁分量放在一起，在一个极图中可以清楚地看出偏心的方向是电机的正下方，如图23所示。
为了进行局部失磁实验，拆除了一部分转子磁极。永磁体是烧结钕铁硼。损坏的转子如图24所示，这种损坏的结果如图25所示。从图中可以看出，1/8的转子极的磁场大约小了15%。
本文呈现了对永磁同步电机状态检测和故障诊断的新方案，为了能测量到气隙磁通密度，搜索线圈缠绕在每个定子齿周围。虽然该方法是嵌入式的，但由于故障检测只用到了一次谐波，能够排除电力电子装置产生的谐波。这项技术的另一个优点是不需要负载的状况就能够进行精确地故障诊断。
二维瞬态有限元分析仿真了电机在不同运行状态下该方法的有效性。这样研究分析的故障包括静态和动态偏心、匝间短路、相对地短路以及部分和均匀失磁。结果表明，不同的故障，信号也不一样，可以轻松地区分开来，不需要耗时的模式识别算法。而且，可以得到偏心的方向和短路的位置。这种方法能够对每种故障的严重程度进行评估，这在关键任务应用程序如汽车、航空航天和军事中是极其重要的。
由于这种技术是嵌入式的，所以已经投入使用的电机不能使用。同时需要注意的是，如果在制造或者重绕时搜索线圈就被安装上了，并不需要增加大量的费用，因为这些搜索线圈只是少量的铜线圈。对于大功率商用及工业应用，系统的可靠性要比费用重要，使这项技术成为一个状态监视和故障检测有效的工具。
