中国科学院电工研究所“十四五”电驱系统健康管理系列成果报道：永磁电机匝间短路故障诊断

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导语

“十四五”期间，中国科学院电工研究所高密度电磁动力与系统全国重点实验室牵头承担国家重点研发计划新能源汽车专项，聚焦车用电驱系统核心部件，围绕机理建模—在线感知—故障辨识—寿命预判完整技术链，开展健康管理基础理论与关键技术攻关。

针对高功率密度、宽域动态载荷及高可靠长寿命的严苛需求，团队以物理机理为基础，厘清故障表征和演化规律，突破多参量解耦与非侵入式在线测量难题；以AI赋能为杠杆，将智能算法融入物理模型，驱动全生命周期健康管理效能的质变，构建了监测、诊断与寿命评估三位一体的完整技术体系。后续本公众号将对该系列代表性成果进行连载报道。

中国科学院电工研究所研究团队在 IEEE Transactions on Transportation Electrification 上在线发表了题为《Interturn Short-Circuit Fault Diagnosis of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on No-Load Back Electromotive Force Analysis》的研究论文。该团队通过精细化匝间短路建模与空载反电动势在线获取技术的协同突破，成功破解了传统电流分析法在低载波比、轻载等工况下易误判的痛点。

研究背景

永磁同步电机（PMSM）凭借高效率、高功率密度与优异的转矩控制性能，已成为新能源汽车驱动系统的绝对主力。然而，定子绕组匝间短路故障（Interturn Short-Circuit Fault, ISCF）被公认为电机最具破坏性的故障类型之一。一旦发生，短路点将产生幅值可达数千安培的故障电流，在极短时间内释放大量热量，迅速烧毁绕组绝缘，严重时甚至导致电机抱轴、车辆动力丧失，直接威胁行车安全。因此，实现对匝间短路故障的及时、准确诊断，是保障电驱系统安全运行的关键前提。

围绕这一需求，国内外学者开展了大量研究，形成了基于温度、磁场、振动及电流分析等多条技术路径。然而，这些方法均存在难以回避的短板：温度检测响应滞后，无法实现早期预警；磁场与振动检测需额外安装传感器，成本高昂且对早期故障灵敏度不足；而应用最为广泛的电流分析法，其故障特征量受电机转速、负载转矩及控制参数（如电流环 PI 参数）影响显著，在低载波比、轻载等工况下电流质量恶化，极易导致误判或漏判。此外，现有基于反电动势的诊断方法几乎全部为离线检测，无法满足车载运行对实时性的迫切需求。

论文所解决的问题及意义

转速变化、负载波动、控制参数调整——这些电机实际运行中不可避免的工况变化，都会显著影响传统电流分析法的故障指示因子，造成诊断可靠性严重下降。

为解决这一根本性难题，本文从故障机理层面重新审视了匝间短路对电机磁场分布的影响规律，建立了故障严重程度与空载反电动势幅值之间的定量数学关系。在此基础上，提出了基于PWM暂停策略的空载反电动势在线获取技术，使诊断过程彻底摆脱了对电流质量的依赖。

实验证明，所提出的基于反电动势不对称度的故障判据，在不同转速、不同负载及不同控制参数条件下均保持高度稳定，而传统电流法的故障指示因子波动显著。

该研究为车用电机驱动系统提供了一种兼具高可靠性与高灵敏度的在线故障诊断技术方案，有力推动了电机健康管理从“离线检测”向“在线智能诊断”的升级跨越。

论文方法及创新点

1、匝间短路建模

针对高功率密度车用电机绕组的结构特点，团队建立了考虑线圈间互感的精细化匝间短路等效模型。研究发现，当某一相绕组发生匝间短路时，故障电流产生的反向磁动势会显著削弱故障线圈所在位置的磁场，导致该线圈的反电动势几乎消失。更为关键的是，这种削弱效应不仅局限于故障线圈本身，还会通过互感影响同一相内相邻线圈以及其他相绕组的磁场分布。

通过推导，研究得到了一个至关重要的结论：对于每相含k个线圈的电机，当j个线圈发生匝间短路时，空载反电动势的下降幅度与发生短路的线圈数量直接相关，而非短路匝数——这是对传统认知的重要修正，为基于反电动势的故障诊断提供了坚实的理论基石。同时，研究还发现，空载条件下故障电流的有效值与短路匝数成反比，意味着短路匝数越多，故障铜损反而越低，电机温升风险相对更小。

图1 匝间短路故障等效电路模型

2、基于反电动势不对称度的诊断判据

经过仿真分析与对比实验，研究团队发现反电动势直接反映了绕组匝间短路故障的信息，而基于电流的故障指示因子容易受到运行工况、控制参数等影响。将反电动势信息转化为可量化的故障判据，团队采用三相反电动势的标准差（Standard Deviation, SD）作为故障指示因子。

针对一款车用电机A相两线圈不同匝数短路故障进行仿真，获得的相反电动势波形。结果显示反电动势基波与短路匝数所在的线圈数显著相关，实际值与理论计算吻合良好，且转速越高吻合度越强。当线圈发生多匝短路时，随着短路匝数增加，故障匝自感在绕组阻抗中的占比增大，从而使电机反电动势进一步贴近理论计算值。

(a)500 r/min （b）3000 r/min

图2 不同转速、不同短路匝数的匝间故障时电机故障相反电动势变化对比

3、空载反电动势在线获取技术

获得空载反电动势是实现上述诊断方法的前提，但传统方式需要电机脱开负载空转，在实际车辆运行中无法实现。团队提出了一种在线获取方案。在电机正常PWM驱动运行过程中，当检测到某一合适转子位置时（如A相电压过零点），将所有功率开关管同时关断。

此时，由于转子惯性，电机继续旋转，进入短暂的空载运行状态。三相绕组端口电压即为电机的空载反电动势，通过差分电压探头即可精确采集。待完成一个电周期的采样后（约数十毫秒），立即恢复PWM驱动，电机迅速回到正常工作状态。

图3 空载反电动势在线获取原理示意图

需要特别指出的是，这一短暂暂停对电机转速几乎没有影响（实验表明，约20 ms的暂停期内转速无明显下降），也不会对车辆驾乘体验造成可感知的影响。与文献中为降低系统损耗而频繁暂停PWM的策略不同，本方法仅在需要进行故障诊断时才执行单次暂停，频率极低，工程可行性大幅提升。

实验验证

团队搭建了专门的匝间短路故障实验平台，将电机A相绕组第1、2线圈的各匝分别引出抽头，可灵活模拟不同线圈、不同匝数的短路故障。为保障实验安全、避免绕组烧毁，采用缩短磁钢长度的方式将反电动势和电流降至原值的约1/7，绕组阻抗参数保持不变。

图4 验证样机和测试平台

实验在500 r/min和1500 r/min转速下分别开展，验证了不同短路匝数和短路线圈数对空载反电动势的影响。结果表明，实验结果与理论计算高度吻合。当电机单匝自感感抗远大于匝电阻时，反电动势实测值更贴近理论计算值。

(a)500 r/min (b) 1500 r/min

图5 验证样机不同匝数匝间短路故障的反电动势基波对比

团队验证了所提的空载反电动势在线获取方法，并根据获取的反电动势，分别在健康状态和一匝短路状态下，测试了SDE与SDI在不同转速（300~1000 r/min）、不同负载及不同控制参数下的表现。实验一致证明：SDE 不受任何工况及控制参数影响，故障前后区分度明确，几乎不存在误判风险；而SDI 在转速、负载或控制参数变化时均出现显著波动，健康与故障状态下的数值区间存在明显重叠，极易导致误判。

(a)正常状态 （b） A相匝间短路

图6 基于暂停PWM获取的空载反电动势

(a)基于反电动势的指示因子SDE （b） 基于电流的指示因子SDI

图7 匝间故障时不同故障指示因子随转速的变化

(a) 不同电流 （b） 不同控制参数kp

图8 匝间故障时基于电流的指示因子SDI 随电流和控制参数的变化

结论

本文通过精细化匝间短路建模、空载反电动势在线获取技术以及基于反电动势不对称度的诊断判据三大创新，成功研制出适用于车用永磁同步电机的匝间短路故障在线诊断方案。经实验验证，该方法在宽转速范围、负载范围及不同控制参数条件下均保持高度稳定，诊断可靠性远优于传统电流分析法，同时具备更高的故障灵敏度。

本文的设计与实现方法，从根本上克服了电流分析法受工况影响大的固有缺陷，为车用电机驱动系统的健康管理提供了兼具高可靠性与高灵敏度的技术路径，有力推动了电机故障诊断从“离线检测”向“在线智能诊断”的升级跨越。

团队介绍

中国科学院电工研究所高功率密度电气驱动及电动汽车技术研究部成立于1997年，是“高密度电磁动力与系统全国重点实验室”的重要组成部分，主要研究方向为电力电子与电力传动，定位于高功率密度发电/驱动系统技术研究及其在电动汽车等电气化交通工具中的应用，涉及高功率密度发电、高功率密度电力电子集成、特种电机和功率模块封装技术。

该团队自“九五”以来，率先开展了车用永磁电机驱动系统理论和技术研究， 承担并完成了数十项国家、地方的电动汽车相关重要科技攻关任务，相关科研成果在超过60 万套国产电驱系统产品中得到应用，在该领域长期处于引领地位。

“十三五”期间，牵头承担了国家重点研发计划新能源汽车专项 “高温车用SiC器件及系统的基础理论与评测方法研究”项目，研发的 SiC 控制器功率密度和效率达到国际先进水平，被评为 “十三五”新能源汽车专项重大科技创新成果。“十四五”期间，牵头承担国家重点研发计划新能源汽车专项基础前沿项目，开展基于新材料新器件的智能化车用电驱系统设计与健康管理前瞻技术研究。近五年获中国电工技术学会和中国电源学会科技进步一等奖、技术发明奖一等奖共 3 项。

范涛

中国科学院电工研究所研究员，高密度电磁动力与系统全国重点实验室副主任，高功率密度电气驱动及电动汽车技术研究部主任。担任中国电工技术学会电动车辆专委会委员、中国电源学会交通电气化专业委员会委员、IEEE高级会员。长期从事高密度电机系统基础理论研究、关键技术攻关和重大装备研制工作，先后获得3项部级技术发明一等奖和科技进步一等奖。

温旭辉

中国科学院电工研究所研究员，高密度电气驱动及电动汽车技术研究部团队创始人，高密度电磁动力与系统全国重点实验室学术委员会委员，中国电工技术学会电动车辆专委会主任委员，中国电工技术学会会士。长期从事高密度电力电子集成、永磁电机控制等技术研究，作为项目负责人承担了数十项新能源汽车电驱动相关的国家及部委级项目，研究领域得到国家科技部、基金委、中国科学院、北京市科委和企业的大力资助。

李琦

通讯作者，中国科学院电工研究所研究员，中国科学院青年促进会会员，高功率密度电气驱动及电动汽车技术研究部副主任。长期从事高功率密度永磁电机系统分析与设计等方面的研究工作，先后承担中国科学院A类先导课题、重点部署课题、北京市自然科学基金重点课题、装备预研课题等十余项重要科研项目，获得部级技术发明一等奖1项。

潘陶涛

第一作者，中国科学院电工研究所2024届硕士研究生，研究方向为永磁电机故障分析与在线诊断。

本工作成果发表在2025年9月2日《IEEE》，论文标题为"Interturn Short-Circuit Fault Diagnosis of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on No-Load Back Electromotive Force Analysis"。