新能源汽車永磁同步電機(jī)定子繞組匝間短路故障診斷與容錯(cuò)控制策略研究

關(guān)鍵詞：新能源汽車；永磁同步電機(jī)；定子繞組匝間短路故障；故障診斷；容錯(cuò)控制

中圖分類號(hào)：U469.7 收稿日期：2025-05-07 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.025

Research on Inter-turn Short Circuit Fault Diagnosis and Fault-tolerant Control Strategy of Permanent Magnet Synchronous Motor Stator Winding in New Energy Vehicles

Zhang Junl Xiong Qiping2 1.Nanchang Jiling New Energy Technology Co.，Ltd.，Nanchang 330052，China 2.Xiong Qiping，Jiangxi Vocational and Technical University，Jiujiang 332oo7，Chin

Abstract：Withtherapiddevelopmentofthenewenergyvehicleindustry，permanentmagnetsynchronous motors（PMSM）asits cordrivesystem，teireliabilityandfultdiagnosisfult-tolerantontroltechologyhavereceedidespreadatentionispaper firstintroducestheworkingprincipleofPMM，analyzes tegenerationmechanismofstatorwidinginter-tusortcircuitfultsnd theirimpactonmotorperformanceOntisbasis，thefaultdiagnosisandfault-tolerantcontrolstrategiesforstatorwindinginterturn shortcircuitfaultsinPMSMofneweergyvehiclesareanalyzed.Thisresearchprovidesteoreticalguidanceandtechnicalsupportfor improving the reliabilityand fault tolerance capabilityofPMSMinnew energy vehicles.

Keywords：Newenergyvehicles;Permanentmagnetsynchronousmotor;Statorwindinginter-turnshortcircuitfault;Faultdiagno sis;Fault-tolerant control

1前言

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，行業(yè)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可靠性和故障容錯(cuò)能力提出了更高要求。作為新能源汽車廣泛采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)之一，永磁同步電機(jī)具有高功率密度、高效率和寬恒功率區(qū)間等優(yōu)點(diǎn)，但其定子繞組匝間短路故障發(fā)生率較高，一旦發(fā)生將導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)、噪聲增大、效率下降，甚至引起永磁體去磁等嚴(yán)重后果，極大影響電機(jī)的正常運(yùn)行。因此，針對(duì)永磁同步電機(jī)定子繞組匝間短路故障開展有效的故障診斷和容錯(cuò)控制研究，對(duì)于提高新能源汽車的可靠性和安全性具有重要意義[1]。

2永磁同步電機(jī)工作原理

永磁同步電機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)類型，它主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子是由硅鋼片疊壓而成的鐵心，在鐵心的槽內(nèi)纏繞有三相繞組，轉(zhuǎn)子則由永磁體構(gòu)成，永磁體可以采用鐵氧體、釹鐵硼或其他稀土永磁材料。根據(jù)永磁體的裝配方式，轉(zhuǎn)子可分為漿束型、內(nèi)置型和表面裝配型三種結(jié)構(gòu)。

漿束型轉(zhuǎn)子是將永磁體嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯的非磁性材料中，可以提高轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，但由于永磁體間存在磁阻，使得空間諧波容易產(chǎn)生，從而增加了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。內(nèi)置型轉(zhuǎn)子將永磁體埋藏在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，能夠減小空間諧波，提高轉(zhuǎn)矩密度，但制造工藝較為復(fù)雜。表面裝配型轉(zhuǎn)子則是將永磁體直接粘貼或機(jī)械固定在轉(zhuǎn)子鐵心表面，制造工藝簡單，性能也相對(duì)較好，是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式。

在新能源汽車領(lǐng)域，為了滿足高轉(zhuǎn)矩、大功率和寬恒功率范圍的要求，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用內(nèi)置型或表面裝配型，并利用稀土永磁材料提高空間利用率和能量密度，為了降低永磁同步電機(jī)的成本和重量，定子繞組通常采用分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，可以減少銅線的使用量[2]。

永磁同步電機(jī)的工作原理基于電磁感應(yīng)定律，當(dāng)三相繞組通入交流電流時(shí)，會(huì)在定子鐵心內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。由于轉(zhuǎn)子永磁體具有一定的磁矩，會(huì)試圖使自身的磁場方向與定子旋轉(zhuǎn)磁場方向一致，從而被定子磁場同步拖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度相同，兩者之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度由電源頻率決定，因此永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎與電源頻率成正比，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)隨之自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速基本保持不變。

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要由定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用產(chǎn)生，當(dāng)兩個(gè)磁場之間存在一定的夾角時(shí)，就會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)切向力矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)矩的大小取決于定子電流的大小、兩個(gè)磁場的夾角以及空間磁場的分布等因素。除了轉(zhuǎn)矩特性外，永磁同步電機(jī)還具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如功率因數(shù)高、效率高、功率密度大、無勵(lì)磁功耗等，這使其在新能源汽車領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。與此同時(shí)，永磁同步電機(jī)也存在著定子繞組匝間短路等潛在故障風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電機(jī)的可靠性和安全性帶來一定威脅，需要采取有效的故障診斷和容錯(cuò)控制措施來保證其穩(wěn)定運(yùn)行。

3短路故障機(jī)理分析

在長期運(yùn)行過程中，定子繞組容易因熱、電、機(jī)械等多重應(yīng)力作用而引發(fā)匝間短路故障。該類故障具有隱蔽性強(qiáng)、演化速度快、破壞性大的特點(diǎn)，是影響電機(jī)運(yùn)行安全與壽命的關(guān)鍵隱患[4]。為此，本文從電氣與熱力耦合機(jī)理兩個(gè)維度分析其形成機(jī)制。

永磁同步電機(jī)在運(yùn)行過程中，定子繞組承受著持續(xù)的高頻率、高電壓脈沖沖擊，特別是在高載波頻率PWM逆變器供電條件下，電壓變化率（ ?[dv/dt） 顯著提高，導(dǎo)致繞組之間存在較強(qiáng)的局部電場，在這種條件下，匝間絕緣材料長期暴露于高電壓應(yīng)力環(huán)境中，會(huì)發(fā)生電介質(zhì)擊穿、樹枝化放電等現(xiàn)象，逐步削弱其絕緣性能。當(dāng)絕緣強(qiáng)度下降至某一臨界點(diǎn)后，繞組相鄰導(dǎo)線之間便可能發(fā)生擊穿，從而形成低阻抗通路，導(dǎo)致匝間短路[5]。電機(jī)在頻繁啟停或快速加減速過程中，定子繞組內(nèi)會(huì)感應(yīng)出較大的渦流與環(huán)流，這些寄生電流不僅增加了損耗，還會(huì)在繞組內(nèi)部產(chǎn)生附加熱源，進(jìn)一步加劇絕緣材料的熱老化，形成惡性循環(huán)，特別是在高速運(yùn)行狀態(tài)下，定子繞組電磁應(yīng)力顯著增強(qiáng)，匝間電壓差增大，也使得局部放電概率升高，極易誘發(fā)短路隱患[6]。

在永磁同步電機(jī)運(yùn)行中，定子繞組處于周期性電磁激振環(huán)境下，尤其是在三相不平衡、電流諧波豐富或加載變頻控制策略時(shí)，電磁力將呈現(xiàn)非線性波動(dòng)特性，使得繞組在槽內(nèi)產(chǎn)生高頻振動(dòng)與微位移，這種微小但持續(xù)的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致繞組與絕緣材料之間產(chǎn)生摩擦與磨損現(xiàn)象，進(jìn)而破壞絕緣層的完整性。電機(jī)高負(fù)載運(yùn)行下繞組溫升顯著，尤其在冷卻系統(tǒng)效能不足或局部散熱不均的情況下，繞組溫度易呈現(xiàn)空間梯度分布，造成熱膨脹不均勻，進(jìn)而引發(fā)絕緣材料的熱應(yīng)力集中與微裂紋擴(kuò)展。多次熱循環(huán)后，絕緣材料將出現(xiàn)疲勞裂紋、脫層甚至碳化現(xiàn)象，當(dāng)這些結(jié)構(gòu)缺陷拓展至繞組匝間界面時(shí)，將顯著降低電氣耐壓能力，最終演化為匝間短路故障。此外，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于槽楔松動(dòng)或繞組預(yù)緊力下降，也會(huì)導(dǎo)致繞組在槽內(nèi)發(fā)生相對(duì)位移，進(jìn)一步加劇電機(jī)內(nèi)部機(jī)械擾動(dòng)，加速絕緣損傷速率[7]。實(shí)驗(yàn)研究表明，在高溫、高濕、高振動(dòng)等多因素耦合環(huán)境下，定子繞組的壽命將顯著縮短，匝間短路發(fā)生概率大幅上升。

新能源汽車永磁同步電機(jī)定子繞組匝間短路故障的形成過程是多物理場協(xié)同作用的結(jié)果，既涉及電氣應(yīng)力下的絕緣擊穿機(jī)理，也涵蓋熱力與機(jī)械擾動(dòng)對(duì)材料性能的持續(xù)侵蝕。該故障通常以局部絕緣退化為起點(diǎn)，逐漸演變?yōu)樵验g通路短接，若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并干預(yù)，將進(jìn)一步引發(fā)相間短路、繞組燒毀、逆變器過流保護(hù)等嚴(yán)重后果，甚至導(dǎo)致整車動(dòng)力系統(tǒng)癱瘓。

4故障診斷與容錯(cuò)控制策略

4.1基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷策略

在新能源汽車永磁同步電機(jī)的運(yùn)行過程中，定子繞組匝間短路故障具有隱蔽性強(qiáng)、演化速度快的特點(diǎn)，傳統(tǒng)基于解析模型的診斷方法在非線性強(qiáng)、工況復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境中存在魯棒性差、實(shí)時(shí)性不足等問題。為實(shí)現(xiàn)對(duì)該類故障的高效識(shí)別與早期預(yù)警，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷策略應(yīng)運(yùn)而生。該策略依托電機(jī)運(yùn)行過程中采集的大量電流、電壓、轉(zhuǎn)速等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能算法，提取故障特征并構(gòu)建診斷模型，具有無需精確物理建模、適應(yīng)復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境、診斷精度高等優(yōu)勢，具體如表1所示。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)診斷的關(guān)鍵在于高質(zhì)量特征的獲取與表達(dá)。針對(duì)匝間短路故障的電磁特性變化，研究人員可從定子三相電流信號(hào)中提取時(shí)域、頻域、時(shí)頻域等多維特征，如均值、方差、峭度、THD總諧波失真）特定頻率幅值、Park矢量軌跡變化、小波包能量分布等，并結(jié)合電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)如負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波動(dòng)、溫升趨勢等，構(gòu)建多源融合特征向量[8]。為提升特征的判別能力，需采用主成分分析（PCA）、線性判別分析（LDA）或自編碼器（AutoEncoder）等降維與特征壓縮技術(shù)，去除冗余信息，提取對(duì)故障敏感的核心特征。在特征融合階段，研究人員可引入注意力機(jī)制（Attention）或特征加權(quán)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)多維信息的動(dòng)態(tài)組合，增強(qiáng)對(duì)微小異常的識(shí)別能力。為適應(yīng)不同工況和結(jié)構(gòu)電機(jī)的差異，特征提取模塊應(yīng)具備一定的自適應(yīng)能力，如通過滑窗機(jī)制實(shí)現(xiàn)特征更新，提升模型在動(dòng)態(tài)工況下的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能。

在完成特征構(gòu)建之后，可基于監(jiān)督學(xué)習(xí)或無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，訓(xùn)練故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的智能分類。監(jiān)督學(xué)習(xí)中可采用支持向量機(jī)（SVM）、隨機(jī)森林（RF）、極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）等輕量級(jí)分類器，或構(gòu)建基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）等深度學(xué)習(xí)模型，適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)下的特征模式識(shí)別與時(shí)間序列分析。對(duì)于故障樣本稀缺或標(biāo)簽不全的場景，可采用無監(jiān)督方法如聚類分析（K-means）、孤立森林（IsolationForest）或自組織映射網(wǎng)絡(luò)（SOM）進(jìn)行異常檢測。為提升診斷的泛化能力，模型訓(xùn)練過程中需引入交叉驗(yàn)證、數(shù)據(jù)增強(qiáng)、遷移學(xué)習(xí)等策略，增強(qiáng)其在不同車型、不同工況下的適應(yīng)性。最終，診斷結(jié)果可輸出為故障狀態(tài)標(biāo)簽（如正常、輕微短路、嚴(yán)重短路等）故障概率值或趨勢預(yù)警等級(jí)，為后續(xù)的容錯(cuò)控制策略提供決策依據(jù)。表1列出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的診斷策略的構(gòu)成。

表1基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的診斷策略構(gòu)成

4.2自適應(yīng)容錯(cuò)控制策略設(shè)計(jì)

自適應(yīng)容錯(cuò)控制策略是主要包括“自適應(yīng)控制參數(shù)調(diào)整\"和\"實(shí)時(shí)故障適應(yīng)性響應(yīng)\"兩個(gè)方面。

自適應(yīng)控制參數(shù)調(diào)整的設(shè)計(jì)基于對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)分析。在故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)需要快速識(shí)別出匝間短路的類型和程度，并根據(jù)故障的具體情況調(diào)整控制策略，這可以通過實(shí)施一個(gè)自適應(yīng)控制算法來實(shí)現(xiàn)，其中包括調(diào)整電機(jī)的電流注入策略和改變控制環(huán)路的參數(shù)。研究人員可以使用以下自適應(yīng)控制律來調(diào)整電流 I_d 和 I_q （直軸和交軸電流分量）：

I_d，new=I_d+K_d×（I_d，target-I_d）

式中， I_d，target 和 I_q，target 為根據(jù)故障狀態(tài)調(diào)整后的目標(biāo)電流值； K_d 和 K_q 為自適應(yīng)調(diào)整系數(shù)，這些系數(shù)可以根據(jù)故障的嚴(yán)重性動(dòng)態(tài)調(diào)整。這種調(diào)整策略可以幫助系統(tǒng)維持電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，還能夠最大限度地減少故障對(duì)電機(jī)性能的影響。

實(shí)時(shí)故障適應(yīng)性響應(yīng)涉及在故障檢測和診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)施一套動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制，以實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)操作以適應(yīng)當(dāng)前的運(yùn)行條件。研究人員可以設(shè)計(jì)一個(gè)基于狀態(tài)觀測器的反饋機(jī)制，其中觀測器不斷評(píng)估電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與預(yù)期狀態(tài)之間的偏差，并據(jù)此調(diào)整控制輸入：

式中， x_target 為電機(jī)的目標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)； 為觀測器估計(jì)的電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)； K_p 和 K_i 分別為比例和積分控制增益。通過這種方式，控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)故障做出反應(yīng)并調(diào)整操作策略以適應(yīng)不斷變化的條件，從而確保電機(jī)即使在部分性能下降的情況下也能繼續(xù)運(yùn)行。

5結(jié)語

本文針對(duì)新能源汽車永磁同步電機(jī)定子繞組匝間短路故障的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，全面闡述了該類故障的成因機(jī)理、演化特征及其對(duì)電機(jī)性能的危害影響。該研究成果為新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的健康監(jiān)測和故障自適應(yīng)控制提供了有力理論支撐和技術(shù)路線，對(duì)于提升車輛安全可靠性、延長使用壽命、降低維修成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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