匝间短路故障对永磁同步电机失磁影响的研究
第一章 绪论
我国是“稀土王国”，稀土资源丰富，上个世纪九十年代以来，由于永磁材料在国内的飞速发展，使永磁材料的产品质量不断提高、成本价格不断降低[1]-[2],这极大的促进了永磁电机的发展。永磁电机与传统的电励磁电机相比，不同之处在于，永磁电机利用永磁材料产生磁场，替代传统电机由电流励磁产生的磁场，因而转子没有铜损，在稳态运行时效率比同规格的异步电机要高 2%~8%，尤其在长时间运行和多数工况为轻载运行的场合，节能效率可达15%~20%[3]。此外，永磁电机还具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻，电动机的外型和尺寸可以灵活多变等显著特点[2]。因而，永磁电机得到了广泛应用，几乎遍及工农业生产和日常生活的各个领域[1],[4]。近年来，随着永磁材料性能的提高、加工工艺的完善以及现代控制技术的发展，永磁电机正逐渐迈向更高水平的发展。例如，医疗设备、航空航天、航海、国防等各个领域均显示出了强大的生命力。低碳经济的到来也为永磁电机带来增长契机。例如，永磁风力发电机是可再生能源的主要发展方向之一。超高效永磁电动机和调速高效永磁电动机在节能减排方面发挥重大作用。电动车用永磁电机和轨道交通用永磁电动机在替代能源方面成为行业发展的另一焦点。交流永磁伺服电动机和特种永磁电机在信息化的进程中发挥重要作用。随着需求结构的调整，用于节能环保领域的永磁电机将会出现大幅增长。永磁电机的广泛应用和高水平发展，使得人们对电机的安全可靠运行要求越来越高[5]。
永磁电机最大的安全隐患是永磁磁场波动和永磁体失磁问题[6]-[7]。电机发生失磁故障后，励磁电动势降低，输出转矩下降，使电机不能正常工作，甚至会烧毁电机，这严重制约了永磁电机的进一步推广和应用[4],[7],[8]，因而退磁问题一直是人们关注的焦点[9]。永磁体失磁的原因有很多，如退磁磁场退磁、高温退磁、振动退磁、化学退磁和时效退磁等[10]-[13]，高温和退磁磁场是主要原因，包括逆变器和定子故障产生的短路电流和过负荷电流[14]。永磁电机定子故障主要是匝间短路故障，调查表明，80%的定子故障是由匝间短路引起的[15]，当发生匝间短路时，短路线圈会产生和其他线圈相反的磁动势。因此，短路线圈产生的磁场方向和气隙合成磁场方向相反，诱发电机发生失磁[4]。如不及早消除匝间短路故障，短路线圈过高的短路环流会产生高温损坏绝缘，发展为更严重的单相接地短路和相间短路故障[16]-[18]。永磁电机匝间短路故障原因很多，成因非常复杂，但一般可以简单归结为 4 点[19]：在电机启动过程中匝间绝缘承受的暂态过电压；电机定子绕组温度过高；电机定子绕组线圈因振动导致匝间绝缘相互摩擦、破损；电机在潮湿高温等恶劣环境下长期运行等。
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各故障类型所占百分比和定子故障原因所占百分比分别如下图 1-2 和 1-3 所示，永磁同步电机大部分故障都是轴承故障（占 50%），故障原因是由于过载、缺少润滑、安装不良和异物进入等原因造成的轴承磨损、表面削落、点蚀和内外圈破裂等。其次是定子故障（占 37%），故障原因是由于绝缘损坏（占 40%）、运行温度过高（占 35%）、机械损坏（占 15%）和电气故障（10%）[25]。永磁同步电机定子故障分为，匝间短路、相间短路和接地短路[24]，其中匝间短路故障最为常见，匝间短路故障会导致电机运行不平衡，且很有可能引发更严重的相间短路和接地短路故障。转子故障主要为永磁体失磁和永磁体断裂故障。电机运行温度过高、发生短路故障或者过载运行等引起的去磁电流，及电机振动都会导致永磁体发生不可逆失磁。
国内学者张文敏等人，利用有限元法建立的永磁同步电机数学模型，计算了短路故障状态下暂态电流、端电压以及电磁转矩，并分析了电流和转矩随时间变化的规律，最后将仿真波形与实验波形对比，证明了该数学模型和计算方法的正确性，为深入研究永磁同步电机匝间短路故障对永磁体以及电机轴的影响奠定了理论基础[26]。杜博超使用有限元软件Ansoft Maxwell 14.0，结合外电路编辑器设置的定子绕组，在绕组短路回路串接一个短路电阻，通过设置短路电阻的大小来模拟故障的严重程度[19]。国外学者B. Vaseghi等，提出了一种基于动态电路的表贴式永磁同步电机匝间短路故障模型，并用有限元分析方法对模型进行了验证，结果表明模型能很好地适应于不同程度匝间短路故障[27]。Kyung-Tae Kim等建立了一种新的永磁电机匝间短路故障模型，相比于传统模型该模型的不同之处在于考虑了故障绕组短路阻抗受电机转速变化的影响，，分析了永磁电机匝间短路故障磁密分布和转矩波形特征，及短路线圈的短路环流产生的去磁磁场，并用实验对仿真数据进行了验证，其结论可以作为永磁电机匝间短路故障诊断的依据[28]，但文献缺少对电机在不同负载下，电机发生相带第一匝短路故障的研究，也没有深入分析匝间短路故障线圈的位置和永磁体失磁区域的分布之间的关系。
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第二章 永磁材料和永磁同步电机
本章介绍了永磁材料最大磁能面积、回复线磁导率、退磁曲线、磁滞回线、剩磁密度、矫顽力和退磁曲线的拐点等主要性能参数。简述了永磁体的退磁原因和退磁原理，阐述了永磁体的布置方式、充磁方式、永磁同步电机的结构和表贴式永磁同步电机的特点，给出了电机转速、感应电动势方程和转矩方程，并画出了电机相量图。
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一整块永磁体的优点是便于安装，但不足之处在于，永磁体的加工和充磁都比较困难，用一块或一段永磁体组成磁极难度较大不经济，不适于实现宽速域弱磁。相反，分段永磁体可以组合成任意形状，加工和充磁方便，有助于提高弱磁能力比较经济。永磁体在一块永磁体的上方叠放另一块等宽或者不等宽的永磁体的目的，是为了得到需要的气隙磁场分布。单段适用于小电机，多段和堆叠的结构适用于大功率电机。实际应用中，前面两种较为常见。此外，永磁体的形状也是多种多样，比如矩形、瓦片形和弓形，如图2-7所示[70]。瓦片形和弓形适用于表贴式永磁同步电机。对于瓦片形永磁体，若永磁体完全暴露在转子表明，可以认为转子表面的气隙均匀，从而气隙磁密处处相同。瓦片形永磁体的两个侧边即可以沿径向，也可以相互平行，分别称为径向瓦片形永磁体和平行瓦片形永磁体[70]，如图2-8所示[70]。
如图2-12（a）所示[70]，永磁体装在转子铁芯外圆表面。这种方式可以提供最大的气隙磁密，因为永磁体产生的磁通不经任何介质（如转子铁芯）而直接进入气隙。其缺点是结构的整体性和鲁棒性较差，因为永磁体沿径向方向没有得到固定。实际上，常常将永磁体嵌入一定的深度，并用凯夫拉尔纤维捆绑在转子上，以增强永磁体和转子的结构强度。这种转子结构的电机称为表贴式永磁同步电机。这类电机的转速一般较低，通常在3000r/min以下，但当转子直径较小时可以达到5000r/min。从结构上可以看出，这类电机直、交轴磁阻的差异很小。相应的，其直、交轴电感的差异也很小（小于10%），可近似地认为相等[69]。
永磁同步电机匝间短路故障模型的建立是非常关键的一步，模型的准确与否直接影响研究结论。目前国内外学者针对永磁电机匝短路故障的建模，都是将正常绕组短路一定比例进行建模，然而，现场运行实践证明，匝间短路最有可能发生在电机相带第一匝绕组的端部，故前人对电机匝间短路故障的设定和实际情况有所差异，也没有考虑匝间短路绕组的位置和空间分布的影响。因此，本章针对永磁同步电机相带第一匝短路模型的建立，首先介绍了电机分数槽绕组排列与接线，并以本文采用的表贴式永磁同步电机为例进行了说明。然后，利用 Ansoft Maxwell14.0 有限元软件建立了永磁同步电机本体模型。最后，将 Ansoft 电路编辑器设计好的相带第一匝短路故障外电路模型导入到电机本体模型的绕组结构中。
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3.1 引言.................................................... 24
3.2 分数槽绕组排列与接线 .................................. 24
第四章 永磁同步电机匝间短路特征量分析....................... 31
4.1 引言.................................................... 31
4.2 不同负载短路特征量分析................................. 31
第五章 永磁同步电机匝间短路失磁分析........................ 39
5.1 引言................................................... 39
5.2 不同负载匝间短路失磁分析................................ 39
第六章 失磁电机运行特征量分析
为了在永磁体发生失磁故障的早期发现并消除故障，找到电机的失磁故障特征是关键。目前研究者们将失磁故障电机的运行参数和正常电机的运行参数进行了对比分析，设定了永磁同步电机转子永磁体不同失磁程度下的失磁模型，对比了电机正常和失磁故障情况下反电势波形以及谐波变化，其结论较好地反应了电机发生不同失磁程度下失磁故障特征，其不足之处在于，失磁模型不是依据电机发生相带第一匝短路建立的，也缺少对失磁电机运行特征量随电机负载和转速变化规律的分析。
由第五章永磁体失磁区域的分布可知，永磁电机不同负载和转速下发生相带第一匝短路故障永磁体失磁程度不一样，故可建立多种永磁体失磁模型，本章重点对永磁电机额定负载和转速下永磁体发生的失磁故障进行建模分析。首先，建立了永磁体的失磁模型。然后，研究了失磁电机消除相带第一匝短路故障后，在低于额定负载、额定负载和高于额定负载情况下电流波形与转矩波形，并利用快速傅立叶变换（FFT）法研究了波形各次谐波含量随电机负载变化的规律。最后，研究了失磁电机消除相带第一匝短路故障后，在低于额定转速、额定转速和高于额定转速情况下电流波形与转矩波形，并利用傅立叶分析（FFT）法研究了波形各次谐波含量随电机转速变化的规律。
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第七章 总结与展望
永磁电机退磁问题一直是人们关注的焦点，匝间短路故障是造成永磁体失磁的原因之一，目前国内外学者针对永磁电机匝间短路故障的研究，大多是将正常绕组短路一定比例进行建模分析，然而，现场运行实践证明，匝间短路最有可能发生在电机相带第一匝绕组的端部。本文针对永磁同步电机相带第一短路故障，首先，利用 Ansoft Maxwell 14.0 有限元软件结合 Ansoft电路编辑器，建立了永磁同步电机相带第一匝短路故障模型。然后，研究了永磁同步电机不同负载和不同转速下发生相带第一匝短路故障,短路线圈电流波形、去磁磁场、失磁区域分布、磁密云图分布、转矩波形和永磁体上 A 点磁密波形。最后，对失磁电机消除相带第一匝短路故障后，在不同负载与转速下运行特征量进行了研究，主要结论有：
正常电机输出转矩波动幅度随着电机负载的增大而增加，转矩波动率随着电机负载的增大而减小；失磁电机输出转矩波动幅度和波动率均大于正常电机，其中波动幅度随着电机负载的增大而增加，而波动率却随着电机负载的增大而减小。失磁电机转矩出现了新的整数次谐波，且各次谐波含量随着失磁电机负载的变化仍保持较大值；正常电机转矩波动幅度和转矩波动率均随着电机转速的增大而增大，失磁电机转矩波动幅度和波动率均大于正常电机，并随着转速的增大转矩波动幅度和波动率均增大，失磁电机转矩基波幅值小于正常电机，且各谐波含量随着失磁电机转速的增大仍保持较大值。故可以通过检测电机的转矩波形及其各次谐波含量作为判定转子永磁体是否发生了不可逆失磁的依据。
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参考文献（略）
本文编号：196232
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/196232.html
