永磁同步电机匝间短路故障对定子电流影响的研究报告
一、 研究团队与发表信息
本研究由沈阳工业大学电气工程学院的张鹏、赵国新*（通讯作者）、崔效源、赵欣媛共同完成。研究成果以题为《匝间短路故障对永磁同步电机定子侧电流影响分析》（Analysis of the effect of inter-turn short-circuit fault on the stator current of permanent magnet synchronous motor）的论文形式，发表于2024年6月10日出版的《电机与控制应用》（Electric Machines & Control Application）期刊第51卷第6期。该研究得到了国家自然科学基金（项目号：51407119）的支持。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于电机驱动控制与故障诊断领域，具体聚焦于永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的早期故障检测技术。永磁同步电机因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点，在电动汽车、航空航天、风力发电等关键领域得到广泛应用。然而，电机在运行中会承受热应力、电应力、机械应力等多重复杂因素影响，可能导致定子绕组匝间短路（Inter-Turn Short-Circuit, ITSC）故障、永磁体失磁及转子偏心等故障。其中，定子绕组匝间短路是发生率较高的电气故障之一。故障初期，短路匝内会流过远大于正常值的环流，产生局部过热，若不能及时发现和处理，故障可能迅速恶化，导致电机绕组烧毁，甚至引发安全事故，造成重大经济损失。因此，实现匝间短路故障的早期、准确诊断，对于保障系统运行安全与可靠性至关重要。
国内外学者已提出多种PMSM匝间短路故障分析与诊断方法，例如基于定子电流谐波分析（特别是5次谐波含量）、建立故障数学模型分析电流变化、分析反电势（back electromotive force）特征、以及应用小波分析（wavelet analysis）、改进小波包变换（wavelet packet transform）、变分模态分解（Variational Mode Decomposition, VMD）等信号处理技术。这些方法从不同角度为故障诊断提供了依据。
本研究旨在深入分析匝间短路故障对PMSM定子侧电流的影响机理，并提取有效的故障特征量。具体目标是通过有限元仿真与实验测试相结合的手段，系统研究不同短路严重程度（表现为短路匝数和故障点接触电阻的变化）下定子电流的变化规律，并从电流不平衡度、负序电流和小波能量谱三个维度进行定量分析，以明确这些指标与故障严重程度之间的关联，从而为构建可靠、灵敏的匝间短路故障诊断策略提供理论依据和实验验证。
三、 详细研究流程与方法
本研究采用了“仿真建模-理论分析-实验验证”的系统性研究流程，具体步骤如下：
第一步：建立无故障及故障状态下的永磁同步电机有限元模型。 研究选取一台12槽10极的永磁同步电机作为研究对象，其额定功率500W，额定电压60V，每相绕组72匝。首先，利用Ansys Maxwell电磁场仿真软件建立了电机正常运行时的二维有限元模型，获取了基准状态下的三相定子电流波形，如图2所示，波形接近正弦且三相平衡。 随后，为模拟匝间短路故障，对模型进行了修改。假设故障发生在A相绕组，通过在A相绕组中设置短路点，将绕组分割为正常部分（La1, Ra1）和被短路部分（La2, Ra2），并引入了故障点接触电阻Rf来模拟不同程度的短路（完全短路或存在接触电阻的不完全短路）。由于故障后绕组结构改变，电压无法直接施加，研究采用了外电路驱动的方式进行仿真。外电路中包含了各相绕组的电感、电阻以及端部漏感参数。通过改变模型中短路的匝数（设置为5匝、10匝、15匝）和故障点接触电阻Rf（设置为0Ω、0.03Ω、0.07Ω），构建了多种不同严重程度的故障工况模型。
第二步：通过有限元仿真获取故障电流数据并进行分析。 在设定的电机转速（360 r/min）下，对上述建立的各种故障模型进行瞬态场仿真，获取了每种故障情况下的三相定子电流时域波形（如图5、图6、图7所示）。与无故障波形相比，故障电流在幅值和波形上均出现了明显畸变和不对称。 基于仿真得到的电流数据，研究从三个角度进行了深入分析： 1. 电流不平衡度分析：根据公式 ε = (Imax - Imin) / Imax × 100% 计算三相电流的不平衡度。其中Imax和Imin分别为三相电流幅值的最大值和最小值。通过对比不同短路匝数和接触电阻下的不平衡度（如表2所示），量化故障引起的三相不对称程度。 2. 负序电流分析：应用对称分量法，将不对称的三相电流分解为正序、负序和零序分量。利用公式 [I1; I2; I0] = 1/3 * [1 α α^2; 1 α^2 α; 1 1 1] * [Ia; Ib; Ic]（其中α = e^(j120°)）计算负序电流I2。负序电流是衡量系统不对称运行状态的关键指标，分析其随故障参数的变化（如表3所示）。 3. 基于小波能量谱的分析：选取Coif4小波作为基函数，对故障相（A相）电流信号进行5层小波分解，得到近似信号a5和细节信号d5, d4, d3, d2, d1。计算各频带信号的能量Ej（即该频带小波系数的平方和）及总能量Etotal。进而得到小波能量谱U = [Ea5, Ed5, Ed4, Ed3, Ed2, Ed1] / Etotal。为了突出故障影响，定义了故障状态下d1频段（最高频段）能量占比相对于无故障时的变化率Sj = (Ej* - Ej0) / Ej0 × 100%，其中Ej*为故障时d1频段能量占比，Ej0*为无故障时占比。通过分析Sj随故障参数的变化（如表4所示），探究故障对电流高频分量能量的影响。
第三步：搭建实验平台进行验证测试。 为了验证仿真分析结果的正确性，研究团队搭建了实物试验平台。选用一台与仿真参数一致的永磁同步电机，对其定子绕组进行特殊绕制，在不同线圈处引出抽头。通过用短接线直接连接抽头模拟完全短路（Rf=0Ω），或串联不同阻值的电阻模拟不完全短路（Rf=0.03Ω, 0.07Ω），从而在实物电机上复现了仿真中设定的各种故障工况（短路匝数同样为5、10、15匝）。试验中，电机同样运行在360 r/min的转速下，使用电流传感器和高精度数据采集设备测量定子三相电流。 对实验测得的电流数据（如图10至图13所示），重复执行上述第二步中的三项分析流程：计算各工况下的电流不平衡度（表5）、负序电流（表6）以及小波能量谱d1频段能量变化率（表7）。
第四步：仿真与实验结果对比分析。 将仿真与试验得到的三个特征指标——电流不平衡度、负序电流幅值、小波能量谱d1频段能量变化率——进行对比。绘制了电流不平衡度对比图（图14）、负序电流对比图（图15）和能量变化率对比图（图16），直观展示了两者变化趋势的一致性，并分析了可能存在的微小差异及其原因（如仿真模型的理想化、实际电机参数分散性、测量噪声等）。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究通过系统的仿真与实验，得到了清晰且一致的结果，揭示了匝间短路故障严重程度与三个电流特征量之间的定量关系：
电流不平衡度显著增大：仿真与试验数据均明确显示，当发生匝间短路故障时，三相电流的平衡性被破坏。随着短路匝数的增加以及故障点接触电阻的减小（即故障严重程度加剧），电流不平衡度ε呈现单调递增的趋势。例如，在Rf=0Ω时，仿真中短路5、10、15匝对应的不平衡度分别为4.72%、6.91%、11.74%；试验中分别为2.95%、5.75%、10.33%。而无故障时，仿真和试验的不平衡度分别仅为0.24%和0.48%。这一结果直接证明了故障导致电机电磁不对称加剧，且不平衡度可作为故障严重程度的敏感指标。
负序电流分量明显增加：对称分量分析表明，正常运行时的负序电流极小（仿真0.01A，试验0.01A）。一旦发生匝间短路，负序电流立即出现并增长。仿真与试验结果一致表明，负序电流的幅值随短路匝数增加和接触电阻减小而增大。例如，Rf=0Ω时，仿真中负序电流从5匝的0.13A增至15匝的0.42A；试验中从0.08A增至0.34A。负序电流的产生是故障引起三相系统不对称的直接数学表征，其增长趋势与电流不平衡度相互印证，共同指向故障的加剧。
小波能量谱中高频分量（d1）能量占比变化率上升：小波分析提供了从频域能量分布角度观察故障的视角。无故障时，电流信号的能量主要集中在低频的a5频段（占比超过99%），d1高频段能量占比很小。发生匝间短路后，d1频段的能量占比相对于无故障状态出现显著增长，且其增长幅度（即能量变化率Sj）与故障严重程度正相关。例如，在Rf=0Ω、短路15匝时，仿真中d1能量变化率达20.75%，试验中达27.41%。这表明故障引入了或放大了电流信号中的高频暂态或谐波成分，小波能量谱，特别是d1频段的变化率，能够灵敏地捕捉到这种细微的频域特征变化。
结果之间的逻辑关系：匝间短路故障本质上在电机内部创造了一个不对称的电磁回路。这种物理不对称性首先直接导致三相定子电流的幅值出现差异（结果1：电流不平衡度增加）。从系统分析的角度，这种不对称的三相系统必然可以分解出负序分量（结果2：负序电流增大）。同时，短路点可能引起局部磁路饱和、电感突变等非线性效应，以及短路环流与主磁场的相互作用，会在电流中激发出额外的谐波或暂态高频分量（结果3：小波能量谱d1频段能量变化）。因此，这三个结果从不同的数学工具和物理视角（时域幅值对称性、相序对称性、频域能量分布）共同描述和验证了同一种故障现象，形成了相互支撑的证据链。仿真结果与试验结果在变化趋势上高度一致，尽管绝对值存在合理偏差，但充分证明了所采用分析方法的有效性和结论的可靠性。
五、 研究结论与价值
本研究通过详尽的有限元仿真和实验测试，系统分析了永磁同步电机定子绕组匝间短路故障对定子侧电流的影响，并得出以下核心结论： 当永磁同步电机发生匝间短路故障时，定子侧电流的电流不平衡度、负序电流分量以及小波能量谱中d1高频段的能量变化率均会增大。并且，这三个指标的增大程度与故障的严重程度（表现为短路匝数的增多和故障点接触电阻的减小）呈正相关关系。因此，监测电流不平衡度、负序电流和小波能量谱（特别是d1频段）的变化，可以作为诊断永磁同步电机匝间短路故障的有效依据。
本研究的价值体现在： * 科学价值：深化了对PMSM匝间短路故障机理的理解，从多维度（三相平衡、对称分量、时频分析）定量揭示了故障严重程度与多个电气特征量之间的映射关系，为故障诊断理论提供了新的数据支持和分析视角。 * 应用价值：研究提出的三个特征指标（电流不平衡度、负序电流、小波能量谱d1变化率）计算相对简便，易于从电机驱动系统中已有的电流传感器信号中提取，为开发在线、实时的PMSM匝间短路故障监测与诊断系统提供了直接、可行的技术方案。工程人员可以根据这些指标设定阈值，实现故障的早期预警和严重程度评估。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的补充
研究在讨论部分指出，电机转速或负载变化时，匝间短路故障对定子电流影响的趋势是相同的，因此仿真和实验固定了运行条件以聚焦于故障本身的影响分析。这为后续研究在不同运行工况下验证这些特征的鲁棒性奠定了基础。此外，论文中提供的大量具体数据表格（表2至表7）和对比图表（图14至图16），为其他研究人员进行比对、复现或进一步分析提供了宝贵的数据基础。