本文报告了一项针对轴向磁通定子无铁心永磁同步电机（Coreless Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Machine, CAF-PMSM）早期匝间短路（Inter-turn Short Circuit, ISF）故障的诊断与定位方法研究。这项研究由湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室的王晓光、陈梦凯、周一帆、岳明强，以及华中科技大学电气与电子工程学院的陈亚红共同完成，研究成果发表于《河北科技大学学报》2024年4月第45卷第2期。
本研究属于电气工程与电机学领域，特别是电机故障诊断方向。研究的背景源于轴向磁通无铁心永磁电机因其高功率密度和紧凑轴向结构，在风力发电、航空航天等关键领域具有广阔应用前景。然而，由于没有定子铁心，绕组直接暴露在磁场中，运行温度高，极易发生匝间短路故障。此类电机定子绕组电感极小，一旦发生短路，故障电流会迅速增大，可能迅速演变为更严重的相间短路或断路故障，导致重大安全事故。因此，实现早期、轻微的匝间短路故障的准确诊断与定位至关重要。现有故障诊断方法，如基于信号频谱分析（FFT、小波变换）、探测线圈检测或基于人工智能的数据驱动方法，在面对早期轻微故障、或无铁心电机电枢反应微弱等特性时，存在识别效果不佳、计算成本高或数据获取困难等局限性。本研究旨在克服这些局限，针对轴向磁通无铁心电机的结构特点，提出一种简单有效的早期故障诊断与定位新方法。研究的具体目标是：1）建立适用于定子电感极小这一特点的匝间短路故障数学模型；2）提出一种基于零序分量与定子电流分量相位差的故障诊断与定位策略；3）通过仿真与实验验证所提方法的有效性。
本研究的工作流程包含理论建模、方法提出、仿真验证和实验验证四个主要环节，环环相扣。首先，研究人员针对CAF-PMSM定子绕组电感极小的特点，建立了其匝间短路故障的数学模型。他们基于三相静止坐标系下的电机电压方程，并考虑到无铁心电机电枢反应可忽略不计，对模型进行了合理简化。该模型清晰地描述了故障相（以A相为例）的电路构成，引入了短路匝数比μ、短路过渡电阻R_f等关键参数，并推导了故障下零序电压V0的表达式，揭示了V0与短路电流I_sf之间的线性关系，这为后续利用零序分量进行故障识别奠定了理论基础。
其次，在理论分析的基础上，研究团队提出了基于相位差的故障诊断与定位方法。该方法分为两个步骤：第一步是故障识别。由于正常运行时三相电压对称，零序电压基波幅值近乎为零；而发生匝间短路时，根据模型推导，零序电压基波幅值会显著增大。因此，通过实时监测零序电压基波幅值，并设定一个略高于健康工况下基波幅值的阈值Th，当检测值超过Th时，即可判定发生了匝间短路故障。第二步是故障相定位，这是本研究的核心创新点。通过对故障数学模型进行深入推导，研究人员得出了一个关键相位关系：当某相（如A相）发生匝间短路时，该相电流基波初始相位θ_a与零序电压基波初始相位θ_0之差的绝对值近似为180°（即相位相反），而健康相的电流与零序电压的相位差则与180°相差较大。为此，他们定义了相位差D_k（k=a,b,c）作为定位判据：D_k = π - |θ_k - θ_0|。发生故障时，故障相的D_k值将趋近于0，而健康相的D_k值则远离0。通过比较三相的D_k值，最小值对应的相即为故障相。整个诊断与定位流程逻辑清晰，首先判断零序电压基波幅值是否超标以确认故障发生，再计算并比较三相相位差以确定故障位置。
第三，为了验证所提方法的正确性，研究团队进行了详细的有限元仿真分析。他们构建了一台双转子单定子结构的CAF-PMSM三维仿真模型，并设置了多种故障工况。仿真对象是这台电机的电磁模型。在健康工况下，仿真结果显示三相电流对称，零序电压基波幅值极小（0.006 V），据此将故障阈值Th设定为0.009 V。随后，他们模拟了A相绕组发生2匝短路（短路电阻R_f=0 Ω）的故障。仿真结果表明，此时三相电流波形仍基本对称，无法直观判断故障；但零序电压基波幅值增至0.045 V，远超阈值，成功识别出故障。进一步提取相位信息计算得到D_a、D_b、D_c分别为7.2°、128.0°和112.2°，其中D_a最小且接近0°，准确定位出A相故障。为了检验方法的鲁棒性，他们改变了故障的严重程度（设置R_f=1 Ω和5 Ω）和故障在A相绕组中的发生位置（模拟了线圈上三个不同点短路）。仿真结果显示，在不同短路电阻下，零序电压基波幅值（0.032 V， 0.021 V）均超过阈值，且D_a始终是最小值（11.3°， 10.6°），成功定位。在不同短路位置下，零序电压基波幅值均超过阈值，且D_a也始终是最小值（7.8°， 8.1°， 7.9°），表明故障位置不影响定位结果。
第四，研究团队搭建了实验平台对理论和方法进行了实物验证。实验对象是一台额定功率800W、额定转速3000 r/min的三相10极12槽CAF-PMSM样机。实验方案与仿真设置相对应。在健康工况实验中，测得零序电压基波幅值为0.015 V，主要由工艺和噪声引起，因此将实验阈值Th提高至0.02 V。在A相绕组2匝理想短路（R_f=0 Ω）实验中，零序电压基波幅值激增至0.124 V，成功触发故障报警。计算相位差得D_a=4.2°， D_b=114.6°， D_c=124.3°，D_a最小，成功定位到A相。随后，他们进行了与仿真类似的鲁棒性验证：改变短路过渡电阻（R_f=1 Ω和5 Ω）以及改变短路位置（在A相绕组三个不同抽头处短路）。实验数据一致表明，在不同故障程度（R_f变化）下，零序电压基波幅值（0.062 V， 0.044 V）均超过阈值，且D_a始终最小（4.0°， 4.3°）；在不同故障位置下，零序电压基波幅值均超过阈值，且D_a也始终最小（7.8°， 8.1°， 7.9°）。这些实验结果强有力地证实了所提诊断与定位方法在不同故障严重程度和不同故障位置下的有效性和可靠性。
本研究得出的主要结论如下：1）通过监测零序电压基波幅值的变化，可以有效诊断轴向磁通无铁心电机是否发生了早期匝间短路故障。2）在该类电机中，故障相的相电流基波与零序电压基波的初始相位近似相反（相位差绝对值约180°），而健康相则不然。利用这一独特的相位关系，通过计算和比较三相电流与零序电压的相位差D_k，可以实现对故障相的准确定位。3）所提方法的诊断与定位能力不受匝间短路故障的具体位置和故障严重程度（体现为短路过渡电阻大小）的影响，具有较好的鲁棒性。
这项研究的科学价值在于，它紧密结合了轴向磁通无铁心永磁电机的独特电磁特性（电感极小、电枢反应微弱），建立了简化的故障模型，并从中发掘出零序电压与故障相电流之间稳定的相位关系，形成了一套原理清晰、计算简单的故障诊断与定位理论。其应用价值非常显著，该方法无需复杂的信号处理或额外的传感装置（如搜索线圈），仅利用电机已有的电流、电压传感器信号，通过算法处理即可实现早期轻微故障的在线诊断与定位，成本低、易于实现，为这类高性能电机的安全可靠运行提供了重要的技术保障，对永磁电机的故障诊断研究也具有参考意义。
本研究的亮点主要体现在以下几个方面：1）重要的发现：揭示了在轴向磁通无铁心电机匝间短路故障下，故障相电流与零序电压基波之间存在近似180°相位差这一关键特征，并将其成功转化为有效的故障定位判据。2）方法的创新性：提出了一种基于相位差的故障诊断与定位一体化新方法。该方法将故障识别（幅值判断）与故障定位（相位比较）有机结合，流程简单高效，特别适合早期轻微故障的检测。3）研究对象的特殊性：针对具有特殊结构（无铁心、电感极小）的轴向磁通永磁电机这一新兴且重要的电机类型，解决了其特有的早期故障诊断难题，填补了该领域研究的一个空白。4）验证的充分性：研究不仅进行了理论推导和仿真验证，还通过详实的实验，在不同故障程度和不同故障位置下全面验证了方法的有效性和鲁棒性，使结论非常可靠。
此外，文中还提及了研究的局限性及未来方向：目前的工作仅针对单相绕组发生早期轻微匝间短路的情况，对于两相或三相绕组同时发生故障的更复杂情况，将是下一步需要分析和研究的内容。这为后续研究指明了方向。