关于永磁同步电机静态偏心和匝间短路故障分类诊断的学术研究报告
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究报告基于Yao Zhao, Kang Yang, Dongdong Li, Mengqi Zhu, Tongtong Zhao等学者共同完成的一项原创性研究。该研究由上海电力大学电气工程系以及浙江省送变电工程公司的研究人员合作进行。研究成果以题为“Classification Diagnosis of Static Eccentricity and Inter-Turn Short-Circuit Faults in PMSM Based on Current Signature Analysis”的论文形式，于2026年发表在学术期刊《Journal of Electrical Engineering & Technology》上。
二、 学术背景与研究动机
本研究的科学领域属于电气工程，具体聚焦于永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）的状态监测与故障诊断。PMSM因其结构简单、运行稳定、效率高等优点，在工业驱动和电力推进系统中得到了广泛应用。然而，苛刻的运行环境对其可靠性提出了严峻挑战。据统计，约30%的PMSM故障源于定子故障，其中匝间短路（Inter-Turn Short Circuit， ITSC）是最常见的故障类型之一。ITSC故障会导致磁场畸变，对转子施加持续的不平衡径向磁力，可能加速轴承磨损或引起转子轴弯曲，进而引发静态偏心（Static Eccentricity， SE）故障。同时，SE故障也可能因制造公差、对中不良或轴承疲劳等纯机械原因独立产生。气隙磁场的变形会导致电机噪声和机械振动加剧，严重时可能引发定转子摩擦，造成重大生产损失。
当电机发生故障时，其特征信号通常会在电流和电压信号中显现。因此，诊断方法主要分为电机电流特征分析（Motor Current Signature Analysis， MCSA）和电机电压特征分析（Motor Voltage Signature Analysis， MVSA）。其中，MCSA因电流信号更易于采集而应用更广。现有研究已提出了多种基于电流信号的ITSC和SE单故障诊断方法，例如利用特定特征频率、边带幅值、零序电流分量、电流角β、三相电流幅值差异和等方法，并结合神经网络、统计分析和跟踪算法等实现故障识别。
然而，现有方法大多专注于单一故障的诊断，未能充分考虑SE与ITSC故障对故障特征的耦合影响，这可能导致误诊。此外，现有方法在鲁棒性、实时性和抗噪性方面仍存在不足，对噪声和电源扰动敏感，且鲜有涉及复合故障下的鲁棒性研究。为解决这些局限性，本研究旨在提出一种能够有效区分SE和ITSC故障的分类诊断方法，特别是在两种故障可能耦合发生的情况下，避免误分类。
三、 详细研究流程与方法
本研究的工作流程系统而严谨，主要包括理论建模、特征指标设计、仿真验证和实验验证四个主要阶段。
第一阶段：建立PMSM在健康、SE故障及ITSC故障下的数学模型，并分析其对电流特征的影响。 研究首先建立了健康PMSM的数学模型，推导了反电动势（back-EMF）的表达式。在此基础上，分别建立了SE故障和ITSC故障下的电机模型。 1. SE故障模型：通过将气隙长度建模为包含静态偏心分量（r_se cos(θ_se - θ_s)）的函数，代入磁链计算公式，推导出故障下的反电动势。分析表明，SE故障会导致反电动势产生幅值调制，其包络随转子位置角θ_s周期性变化，这种调制效应最终传递到相电流中，导致各相电流幅值出现同步的、同相的波动。 2. ITSC故障模型：建立了包含健康部分和故障部分的A相等效电路模型，引入了短路匝比μ和绝缘电阻R_f等参数。通过求解电路方程，得到了故障条件下的三相电流表达式。分析表明，ITSC故障主要影响故障相（如A相）的电流，通过短路环分流效应破坏了三相电流的对称性，导致相间电流幅值出现显著差异，但同一相电流内部的幅值波动并不显著。
理论分析明确了两种故障在电流信号上引发不同物理现象的本质：SE故障引起同相幅值调制波动，而ITSC故障引起相间幅值不对称。这为设计具有针对性的故障指示器奠定了理论基础。
第二阶段：提出基于电流的故障分类策略，并设计两个波动指示器。 基于上述理论分析，研究团队提出了一种基于定子相电流波动特征的故障分类方法。该方法的核心是设计两个故障指示器（Fault Indicator， FI），分别用于捕捉上述两种不同的故障特征。 1. 诊断流程：如图4所示，首先采集三相电流信号，经过滤波和直流偏置消除以提取基波电流分量。然后，计算两个故障指示器FI1和FI2的值。最后，将计算值与预设阈值TH1和TH2进行比较，实现故障分类。考虑到电机生产过程中固有的不平衡因素，将健康状态阈值TH1和TH2分别设定为10%和0.1，以避免误判。 2. 故障指示器设计： * 同相波动严重程度指示器FI1：该指标旨在量化同一相电流内部的幅值波动。对于每相电流，计算其在一个机械旋转周期内（对应2p个峰值，p为极对数）的最大峰值与最小峰值之间的归一化差异百分比。FI1定义为三相该百分比的平均值。SE故障会导致同相电流包络波动，从而使FI1显著增大。 * 相间不平衡指示器FI2：该指标旨在量化三相电流之间的幅值差异。计算三相电流峰值最大值之间的两两绝对差值之和，并将其除以三相峰值最大值之和进行归一化。ITSC故障导致三相电流幅值严重不对称，从而使FI2显著增大。
这两个指示器被明确设计用于分离SE引起的幅值调制和ITSC引起的相间不对称，是本研究方法新颖性的关键体现。
第三阶段：通过有限元仿真验证理论分析与所提指标的有效性。 研究使用有限元分析（Finite Element Analysis， FEA）软件构建了一个4对极、36槽的750W PMSM仿真模型（模型参数见表1，模型见图5）。通过仿真模拟了健康、SE故障（20%严重度）和ITSC故障（短路匝比μ=0.1， 绝缘电阻R_f=0.1Ω）三种状态，电机运行在1000 rpm转速和1.5 N·m负载下。 1. 健康状态仿真：采集三相电流信号（图6a），计算得到FI1=0.852%， FI2=0.0017，远低于设定阈值，验证了健康基准。 2. SE故障仿真：通过将转子轴心相对于定子轴心偏移一定距离来建模SE故障。采集的电流信号（图6b）显示三相电流幅值出现显著且同步的波动。计算得FI1=42.76%， FI2=0.0023。FI1远超TH1，而FI2接近零，符合SE故障特征。 3. ITSC故障仿真：在A相引入短路。采集的电流信号（图6c）显示三相电流幅值严重不对称，但各相内部波动小。计算得FI1=1.34%， FI2=0.402。FI2远超TH2，而FI1接近健康水平，符合ITSC故障特征。 仿真结果清晰表明，FI1能有效响应SE故障，FI2能有效响应ITSC故障，验证了所提指标区分两种故障的能力。
第四阶段：搭建实验平台进行原型实验，进一步验证并评估方法的鲁棒性。 为了在实际环境中验证所提方法，研究团队搭建了实验平台（图7）。平台包括PMSM控制系统（两台参数相同的PMSM，其中PMSM-1作为测试电机，可植入SE和ITSC故障）和数据采集系统。通过改变绕组抽头（图7b）模拟不同严重程度（5%， 10%， 15%， 20%）的ITSC故障。 1. 健康状态实验：PMSM-1在1000 rpm、1 N·m负载下运行，计算得FI1=1.72%， FI2=0.002（图8），与仿真健康基准一致。 2. 故障状态实验： * SE故障：在PMSM-1上设置20%严重度的SE故障，运行于相同工况。实验结果（图9a）显示电流出现同相波动，计算得FI1=39.2%， FI2=0.00176，成功识别为SE故障。 * ITSC故障：在PMSM-1的A相设置μ=0.15的ITSC故障（R_f=0）。实验结果（图9b）显示三相电流幅值严重不平衡，计算得FI1=1.56%， FI2=0.364，成功识别为ITSC故障。 实验波形与理论模型预测完全一致：SE故障导致同相电流包络振荡，ITSC故障主要导致相间不平衡。 3. 鲁棒性验证实验：为了评估方法在不同运行条件下的稳定性，研究进行了变转速和变负载实验。如图10所示，在不同扭矩和速度下，故障指示器FI1和FI2对于相应故障的响应值保持稳定且显著高于阈值，而对非目标故障的响应值则保持低位。这证明了所提方法对速度和负载变化具有良好的鲁棒性。
四、 主要研究结果
本研究通过系统的理论分析、仿真和实验，得到了以下关键结果： 1. 理论分析结果：成功建立了PMSM在SE和ITSC故障下的精确数学模型，从机理上阐明了SE故障主要通过气隙不对称调制反电动势，导致相电流产生同相、同步的幅值波动；而ITSC故障主要通过改变故障相阻抗，破坏三相电路对称性，导致相间电流幅值出现显著差异。这为故障特征的物理分离提供了理论依据。 2. 特征指标设计结果：基于理论分析，创新性地提出了两个互补的故障指示器FI1和FI2。FI1对SE故障敏感，而对ITSC故障和运行条件变化不敏感；FI2对ITSC故障敏感，而对SE故障和运行条件变化不敏感。这两个指标直接基于易于测量的相电流峰值计算，无需复杂频谱分析或额外传感器。 3. 仿真验证结果：在包含噪声和实际电机参数的FEA仿真环境中，FI1和FI2在健康状态下接近零；在SE故障下，FI1显著上升（42.76%）而FI2基本不变；在ITSC故障下，FI2显著上升（0.402）而FI1基本不变。仿真数据完美验证了指标设计的正确性和故障分类的有效性。 4. 实验验证结果：在实际电机实验平台上，健康、SE故障和ITSC故障下的实验结果与仿真结果高度吻合。FI1和FI2的数值变化趋势一致，能够清晰区分两种故障。这证明了该方法从仿真到实际应用的可行性和有效性。 5. 鲁棒性验证结果：变工况实验表明，在速度和负载变化时，FI1和FI2对于目标故障的指示值保持高位且稳定，对于非目标故障的指示值保持低位。这证明了该方法具有良好的工程实用性和环境适应性。
这些结果层层递进：理论分析为指标设计指明了方向；仿真验证在可控环境下初步证明了指标的有效性；实验验证则在真实、存在不确定性的环境中最终确认了方法的实用价值；鲁棒性测试进一步巩固了其应用于复杂工业场景的信心。所有结果共同指向一个结论：所提出的基于FI1和FI2的电流波动特征分类方法，能够可靠、鲁棒地区分PMSM的SE和ITSC故障。
五、 研究结论与价值
本研究提出并验证了一种基于定子相电流波动特征，用于分类诊断永磁同步电机静态偏心和匝间短路故障的新方法。研究分别建立了两种故障的数学模型，分析了它们对电流特征的不同影响，并据此设计了专门用于区分SE引起的幅值调制和ITSC引起的相间不对称的两个故障指示器（FI1和FI2）。通过有限元仿真和原型实验验证，该方法在健康和故障状态下均表现出明确的区分能力，且对转速和负载变化具有强鲁棒性。
本研究的价值体现在以下几个方面： 1. 科学价值：深入剖析了SE与ITSC两种故障在PMSM电流信号中产生不同物理效应的机理，明确了其可分离性，为多故障耦合情况下的诊断提供了新的理论视角和分析框架。 2. 技术/应用价值：所提出的诊断方法简单、经济，无需额外传感器或复杂信号处理设备，仅利用易于获取的相电流信号即可实现故障分类。这极大地降低了在线监测系统的硬件成本和实现复杂度，为工业现场实施PMSM的预测性维护（Predictive Maintenance）和健康管理提供了一种具有高实用价值的解决方案。 3. 对现有研究的补充：直接针对现有单故障诊断方法在耦合故障下易误诊的局限性，提出了一种有效的分类策略，弥补了该领域的一个研究缺口。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
本研究还明确指出了所提方法相较于现有方法的几个显著特点：1）无需额外传感器或测量设备；2）故障指示器对ITSC故障高度敏感，且对速度和负载变化鲁棒；3）两个故障指示器被明确设计用于分离SE引起的幅值调制和ITSC引起的相间不对称。这些特点在实验测试中均得到了体现。此外，论文对相关领域的研究（如MCSA、MVSA及各种基于电流的单一故障诊断方法）进行了全面的文献综述，为读者理解本研究的定位和贡献提供了清晰的学术背景。