环形绕组电机及其匝间短路故障诊断方法、装置

本发明属于电机容错，更具体地，涉及环形绕组电机及其匝间短路故障诊断方法、装置。

背景技术：

1、近年来，交通运输行业，尤其是航空航天领域迎来了电气化变革。由于空间、体积和重量的严苛要求，驱动电机的功率密度指标极高。永磁电机因其高功率密度、高功率因数和高效率等优势成为了优选的电机拓扑。然而，出于对人民生命财产安全的重大考虑，驱动电机的可靠性成为关注的焦点。如何提高永磁电机的可靠性成为亟需解决的关键问题。

2、一台永磁电机可能发生短路故障、开路故障、灭磁故障、轴承故障等，其中匝间短路故障发生的概率高达40％左右，并且该故障最为恶劣，一旦发生匝间短路故障，若不及时进行处理，将引发其他的故障。短路的几匝由于阻抗较小，短路回路中形成了高于额定电流数十倍以上的短路电流，短时的热量积聚会导致故障扩散甚至电机烧毁。因此，永磁电机的匝间短路电流有效抑制是其可靠性提升的关键。

3、环形绕组因其缠绕轭部的特殊属性，在匝间短路故障后会自动激发出环轭漏磁，短路回路中也自动响应出巨大的环轭漏感，这使得短路电流得到有效抑制。已有的研究表明，环形绕组的可变阻抗特性使得其容错性能远高于传统叠绕组或者分数槽集中绕组拓扑。然而，环形绕组的强容错性能需要较厚的定子轭部，这会极大的降低电机的功率密度，特别的，对于匝数少、接触电阻小的极端恶劣短路工况，难以通过无限制的增加定子轭部厚度来实现将匝间短路电流抑制到额定值以内的目标。因此，除了利用自身本体可变漏感属性以外，还需要结合控制层面的容错策略以进一步降低短路电流。由于环形绕组电机在故障后的短路电流远小于传统电机，其在故障后的端口电流变化也远低于传统拓扑，并且环形绕组故障后的各相电压变化是相同的，所以传统的基于电流/电压信号变化检测故障的方法难以应用在环形绕组拓扑上。

4、在申请公布号为“cn114487904a”的专利文件中，提出了一种永磁电机匝间短路故障在线监测方法，其通过构造状态监测器提取电压扰动量。整个系统由基于leso电压扰动量观测模块、故障特征提取算法模块和故障诊断方法模块三个部分组成，可以在现有tcu控制装置上实现在线计算。但是，该方法仅能诊断出匝间短路故障的发生，在短路故障发生后，无法明确定位到故障所在相，也无法实现短路电流的抑制。

5、在申请公布号为“cn114977981a”的专利文件中，提出了一种双三相永磁同步电机匝间短路故障容错控制方法，在对匝间短路故障下的双三相永磁同步电机系统物理原理分析的基础上，求解得出反映短路电流幅值与dq轴电流关系的稳态模型，之后通过施加弱磁电流、改变两套三相绕组出力比例、限制电机出力的方式，将短路电流抑制在目标值内。该方法使用注入去磁电流的方式实现了短路电流的有效抑制，但是会使得故障后电机的输出功率降低，限制了驱动系统的出力。

6、总的来说，目前缺乏针对环形绕组这类可变阻抗的故障诊断研究，环形绕组电机的可靠性有待进一步提高。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了环形绕组电机及其匝间短路故障诊断方法、装置，其目的在于，在不影响环形绕组电机出力性能的情况下增强环形绕组电机的可靠性。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种环形绕组电机，包括定子铁心，以及一套或多套三相绕组，每一套三相绕组包括环绕定子铁心轭部设置的工作线圈；该环形绕组电机还包括两个探测线圈；

3、两个探测线圈在电动势相差180°电角度的两个槽内环绕定子铁心轭部设置，且两个探测线圈正向串联。

4、进一步地，探测线圈的线径小于工作线圈的线径。

5、按照本发明的又一个方面，提供了上述环形绕组电机的匝间短路故障诊断方法，包括：

6、检测探测线圈的电压若其幅值use大于预设的电压阈值，则判定环形绕组电机发生匝间短路故障。

7、进一步地，本发明提供的匝间短路故障诊断方法，还包括：若发生匝间短路故障，则对于环形绕组电机中的每一套三相绕组，分别执行以下步骤：

8、(s0)检测各相电压；

9、(s1)根据相电压计算各相中每种反电势类型的工作线圈中的电压；

10、(s2)分别计算探测线圈的电压与各相各种反电势类型的工作线圈中的电压间的相位差δθskie，并筛选出满足δθsmin≤δθskie≤δθsmax的相位差；

11、k表示a、b或c相，i表示第i种反电势类型的工作线圈；δθsmin和δθsmax分别表示故障检测信号幅值和相位的雷达图的轨迹所对应的最小相位和最大相位；

12、(s3)按照计算筛选出的相位差所对应的故障检测信号电压幅值理论值，以判别出与探测线圈实测电压的幅值use最接近的故障检测信号的电压幅值理论值，并判定其所对应的相及工作线圈为发生匝间短路故障的故障相和故障线圈；δθo表示匝间短路故障信号的圆心所在相位；α、χ、ξ和ε为中间变量，表达式分别如下：

13、α＝ikw(lco1+mco12-mph/n)+e'ksinθi

14、χ＝e'kcosθi+rcik

15、ξ＝w(lyoke+lco1)

16、

17、其中，ik表示k相电流，w表示电角频率，ek'表示单个工作线圈的反电势幅值，θi表示第i种反电势类型的工作线圈与所在相间的反电势相位差，lco1表示单个线圈的自感，mco12表示第i种反电势类型的工作线圈与同相下其余线圈间的互感，mph表示相互感，n表示每相串联的工作线圈的数量，rc表示单个线圈的电阻，lyoke表示环轭电感，nc表示单个工作线圈的匝数，ns表示单个探测线圈的匝数，λyoke表示环轭磁导。

18、进一步地，本发明提供的匝间短路故障诊断方法，在步骤(s3)之后还包括如下步骤：

19、(s4)向故障相所在三相绕组注入零序去磁电流；零序去磁电流的相位比故障线圈的电压相位超前90°。

20、进一步地，零序去磁电流的计算表达式如下：

21、

22、其中，表示零序去磁电流，表示故障线圈的电压，nz表示参与零序去磁电流注入的串联绕组匝数。

23、进一步地，电压阈值的设定方式包括：

24、建立环形绕组电机的仿真模型；

25、在仿真模型中模拟单匝短路故障，并获取探测线圈在不同接触电阻下的电压，将其中的最小电压作为所述电压阈值。

26、按照本发明的又一个方面，还提供了上述环形绕组电机的匝间短路故障诊断装置，包括：

27、电压检测模块，与探测线圈相连，用于检测探测线圈的电压；

28、诊断模块，与电压检测模块相连，用于在探测线圈的电压幅值大于预设的电压阈值时，判定环形绕组电机发生匝间短路故障。

29、进一步地，电压检测模块，还与工作线圈相连，还用于检测工作线圈的电压；

30、并且，本发明提供的匝间短路故障诊断装置，还包括故障定位模块，故障定位模块用于执行以下步骤：

31、(s1)根据相电压计算各相中每种反电势类型的工作线圈中的电压；

32、(s2)分别计算探测线圈的电压与各相各种反电势类型的工作线圈中的电压间的相位差δθskie，并筛选出满足δθsmin≤δθskie≤δθsmax的相位差；

33、k表示a、b或c相，i表示第i种反电势类型的工作线圈；δθsmin和δθsmax分别表示故障检测信号电压幅值和相位的雷达图的轨迹所对应的最小相位和最大相位；

34、(s3)按照计算筛选出的相位差所对应的故障检测信号电压幅值理论值，以判别出与探测线圈实测电压的幅值use最接近的故障检测信号的电压幅值理论值，并判定其所对应的相及工作线圈为发生匝间短路故障的故障相和故障线圈；δθo表示匝间短路故障信号的圆心所在相位；α、χ、ξ和ε为中间变量，表达式分别如下：

35、α＝ikw(lco1+mco12-mph/n)+e'ksinθi

36、χ＝e'kcosθi+rcik

37、ξ＝w(lyoke+lco1)

38、

39、其中，ik表示k相电流，w表示电角频率，ek'表示单个工作线圈的反电势幅值，θi表示第i种反电势类型的工作线圈与所在相间的反电势相位差，lco1表示单个线圈的自感，mco12表示第i种反电势类型的工作线圈与同相下其余线圈间的互感，mph表示相互感，n表示每相串联的工作线圈的数量，rc表示单个线圈的电阻，lyoke表示环轭电感，nc表示单个工作线圈的匝数，ns表示单个探测线圈的匝数，λyoke表示环轭磁导。

40、进一步地，本发明提供的匝间短路故障诊断装置，还包括：电流注入模块，与工作线圈相连，用于向故障相所在三相绕组注入零序去磁电流；

41、其中，零序去磁电流的相位比故障线圈的电压相位超前90°。

42、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

43、(1)本发明提供的环形绕组电机，其包括环绕定子铁心轭部的两个探测线圈，两个探测线圈在电动势相差180°电角度的两个槽内环绕定子铁心轭部设置，且正向串联，基于这种探测线圈的设置方式，在正常情况下，探测线圈电压几乎为0，发生匝间短路故障时，探测线圈电压将发生突变，因此，基于探测线圈电压的检测结果即可及时准确诊断出匝间短路故障的发生，有效提高了环形绕组电机的可靠性，并且，本发明仅需设置两个探测线圈，成本低，加工工艺简单。

44、(2)本发明提供的环形绕组电机，在其优选方案中，探测线圈的线径小于工作线圈，因此，不会影响到正常工作绕组的槽满率，对电机健康状态下的电磁性能影响较小。

45、(3)本发明提供的匝间短路故障诊断方法，仅需测量探测线圈的电压值即可实现匝间短路故障的诊断，诊断准确、及时，有效提高了环形绕组电机的可靠性，并且，匝间短路故障的诊断不受电机转速的影响，检测鲁棒性好。

46、(4)本发明提供的匝间短路故障诊断方法，在其优选方案中，判定发生匝间短路故障后，进一步基于探测线圈电压的幅值和探测线圈电压与工作线圈电压间相位差的轨迹，可准确定位出匝间短路故障所在相以及所在的工作线圈，为后续短路电流的抑制提供了明确的依据。

47、(5)本发明提供的匝间短路故障诊断方法，在其优选方案中，在定位出匝间短路故障所在相以及所在的工作线圈后，向故障相所在三相绕组注入零序去磁电流，该零序去磁电流的相位比故障线圈电压的相位超前90°，通过注入该零序去磁电流，可以产生抵抗故障线圈反电势的附加电压，有效抑制短路电流，由于附加电压在其余相也会产生，电机的线电压依然保持不变，所以不会明显降低电机转矩，在有效抑制短路电流的同时，也能使电机出力性能几乎不变。

48、(6)本发明提供的匝间短路故障诊断方法，在其优选方案中，按照设定注入的零序去磁电流，该零序去磁电流是以短路电流为0为目标推导得出的，注入后能够使短路电流大幅降低，同时转矩脉动也降低，实验表明，本发明注入零序去磁电流后，环形绕组电机的转矩平均值和健康状态时几乎一致。此外，由于环轭电感lyoke很大，本发明注入的零序去磁电流很小，因此，本发明具有注入去磁电流小、短路电流抑制效果显著、电机输出功率几乎不变的优势。

49、(7)本发明提供的匝间短路故障诊断方法，在其优选方案中，通过仿真的方式获得发生单匝短路故障时探测线圈的工作电压作为判断是否发生匝间短路故障的电压阈值，由于单匝短路故障在接触电阻较大时的探测线圈电压最小，因此，本发明由此设置的电压阈值能够准确识别出匝间短路故障。