永磁同步電機定子繞組匝間故障（三相永磁同步電機的繞組斷線）

2023-07-22 19:01:46 5

【導讀】目前用於電動汽車的電機類型主要有有刷直流電機、感應電機、永磁 電機等，永磁同步電機具有效率高，功率密度和轉矩密度大的優點， 是極具發展潛力的電機類型。但電機的工況惡劣、振動嚴重、工作環境溫度較高等原因使得電機很容易發生故障，其常見的故障有匝間短 路、轉子偏心和永磁體退磁等。本文將簡要研究分析故障原因和機 理，並建立起合適的故障工況下的有限元仿真模型，分析和提取其故障特徵，並提出一些能應用於電機早期故障診斷的判斷依據。

本文研究分析了三相永磁同步電機的繞組斷線故障、匝間短路故障、轉子偏心故障以及永磁體退磁故障。

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前言

隨著近年來環境汙染和能源短的日益突出，世界各國開始相繼重視這兩個問題，並提出對策。永磁同步電機作為一種高性能的交流電機，因其具有體積小，可靠性高，功率因數和功率密度高高，效率高等優點。永磁同步電機的運行範圍很寬，可以在其額定功率數值 25%-120%的範圍內保持很高的運行效率，完全能夠適應負載變化比較大的場合。因此，永磁同步電機的發展和推廣使用，將能夠極大滿足當今社會工業對高效電機的需求。

但與此同時，電機作為一個能夠實現機電能量之間轉換的系統，它的結構是由定子，轉子，和軸承等電氣系統和機械系統組成，其總體結構較為簡單。但電機工作時，具有複雜的機電能量轉換過程，在長期運行中，受供電情況、負載工況和運行環境的影響，某些部件會逐漸失效，損壞。電機的工作原理都是基於電磁理論，主要由電路（繞組）和磁路（鐵芯）兩大部分組成，其主要故障類型有繞組斷線、繞組過熱、匝間短路、絕緣老化、鐵芯變形及電機轉子偏心等，永磁同步電機因其轉子上還裝設有永磁體，還可能發生永磁體的不可逆退磁故障，總體來說，電機故障種類繁多，原因複雜。電機集電氣與機械部件於一體，加之處於高速運轉狀態中，故障徵兆呈多樣性，既有電氣故障特性，又有機械故障特性；既有電氣量(電壓、頻率、電流、功率等)，也有非電氣量(熱、聲、光、氣、輻射、振動等)。

本文主要對一臺功率為 11kW 面貼式三相永磁同步電機進行分析，分別仿真分析其發生定子繞組斷線故障、定子繞組匝間短路故障、電機轉子靜偏心與動偏心，以及永磁體的不可逆退磁故障。通過對故障工況有限元分析結果的後處理，總結出了故障特徵信息和相關的故障程度評價指標，為提出如何實現永磁同步電機的可靠運行、建立電機的實時故障診斷系統等方面的內容提供了一定的依據。

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電機的有限元分析模型

將 RMxprt 模塊中建立的電機模型導入 Maxwell 2D 中進行有限元仿真計算。電機的主要參數如表 1 所示：

2.1 空載特性分析

首先，有限元分析了該電機模型的空載特性，包括求解空載反電動勢，反電動勢的諧波含量，氣隙磁場中的徑向磁密分布。永磁同步電機空載時，由於電樞電流很小，電機內僅有永磁體所建立的永磁磁場(主磁場和漏磁場)。空載反電動勢是永磁同步電機的一個非常重要的參數，E 0 的大小對電機的動、穩態性能都有很大的影響，合理地設計電機的 E 0 可以降低空載電流，提高功率因數和效率，降低電機溫升。經分析，本次設計的永磁同步電機空載反電勢的幅值與外加電壓 U 的幅值的比值在 0.95 左右，證明該電機的設計是成功的，具有良好的空載特性。

2.2 負載特性分析

進一步，對永磁同步電機額定負載下的穩態特性進行了仿真，求取了其輸出轉矩的波形以及定子繞組銅損、鐵芯損耗（包括鐵芯磁滯損耗與渦流損耗）；另外求解分析了電機從半載到滿載的動態過程，證明了電機具有較好的帶載能力和動態性能。為接下來進一步的仿真分析建立了基礎。

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電機故障診斷與分析

3.1 繞組故障分析

仿真中定子繞組採用外電路模型導入的方式賦予激勵，外電路模型中三相對稱電源為Y 型接法，定子三相繞組為三角接法。並在 C 相繞組的迴路中串入一個壓控式開關 S_C，該開關在 0.25s 前處於閉合，0.25s 後斷開，從而模擬 C 相繞組斷路故障的發生。

從結果來看，當定子繞組 C 相斷線後，AB 相繞組的相電流迅速增加，電機銅損增加，電機的輸出轉矩下降，帶載能力降低。故障發生後，A 相相電流與線電流相等，C 相相電流為零，但其線電流相位與 B 相相電流相差 180 度，幅值相等。因此，這一依據可以作為對定子某一相繞組斷線的故障特徵，從而應用於相關的故障診斷系統中。

三相交流電機在運行過程中，其主要組成部分——定子在熱、電、機械、環境應力等共同作用下，經常發生匝間短路故障，其發生率高達 30%～40%。

定子繞組的激勵仍然採用外電路導入的形式，通過對外電路的設置模擬電機的匝間短路故障。將電機某一極下兩個槽中的繞組全部短路，即將 A 相繞組在 0.25s 時刻(共 12 個槽)短路全部匝數 1/6，如此設置是為了建模比較方便，無需對故障繞組的幾何模型進行重新修改。

電機正常時，電機的各個線圈之間有良好的絕緣，當電機發生匝間短路故障時，絕緣層被破壞，出現短路電流。因此短路電阻 R f 的值越小，代表故障的程度更加嚴重。

結果表明，在故障初期，也就是短路電阻較大時，短路電流 i f 較小，故障現象不明顯，短路處的發熱不大。隨著故障的發展，短路電阻迅速減小，短路電流增大，短路處的發熱量增大，使得絕緣迅速失效，故障進一步加劇，最終導致繞組完全短路，燒損。因此，短路電流應是評價電機故障程度的一個重要指標。同時，通過對輸出轉矩的分析，匝間短路故障導致了轉矩波動的增加，這表明了氣隙磁場發生了畸變。

i f 產生了一個脈振磁場，它會引起氣隙磁場的畸變，產生不同於正常運行時的電磁力波，進而導致電機的電磁轉矩發生變化。這不但會影響電機的機械性能，還會增大電機定轉子徑向振動，發出異常的機械噪聲。而振動的增大又會導致定子繞組匝間短路故障的進一步惡化，同時短路電流還可以形成去磁磁動勢，使電機永磁體發生不可逆失磁。因此，對於永磁同步電機定子繞組匝間短路故障的早期診斷，是非常有必要的。

3.2 轉子偏心故障分析

轉子偏心故障可分為靜態偏心故障、動態偏心故障二種類型。產生靜態偏心的主要原因是即定轉子不同軸心，造成動態偏心的原因是轉軸彎曲或軸承損壞等。靜偏心故障是電機普遍存在的故障，靜偏心相當於轉子旋轉中心從定子中心向某個方向偏移，使轉子在此方向相對於定子偏心，定、轉子間氣隙發生變化，這種氣隙偏心固定在某一位置，它不隨轉子旋轉而改變位置。動偏心故障也屬於電機常見的故障類型，動偏心相當於轉子中心從定子中心向某個方向偏移，但轉子旋轉中心沒有偏移，這種氣隙偏心隨轉子轉動而轉動。

當電機發生偏心故障時，會影響到氣隙磁場，所以對氣隙磁場加以監測，將是電機故障檢測的一個可行的方法。如在氣隙中安放探測線圈，通過線圈中的感應電動勢就可以知道氣隙磁場的變化情況。

文獻[1]提出一種在電機電樞繞組槽內設置三組探測線圈（三組探測線圈在空間位置互差 120 度）的方式來檢測電機偏心故障的發生。

這樣做可以減小故障診斷系統的成本，減少相應的電壓傳感器數量。該方法的檢測原理為：當電機旋轉時，旋轉的氣隙磁場會在三104個探測線圈中產生電壓，通過檢測各個線圈電壓的幅值和波形，可以得知氣隙磁場的變化，進而達到檢測電機故障的目的。這種線圈能免受高頻諧波的幹擾，故障特徵明顯，因此非常適合由逆變器供電的電機系統，另外，這種方法不需要知道電機的參數。由於探測線圈直接檢測電機的氣隙磁場，該方法的診斷結果準確可靠。

當電機發生靜偏心故障時，電機的對稱結構遭到破壞，各個探測線圈下的氣隙長度將變得各不相同，各個探測線圈下的氣隙磁通也將發生變化。靠近氣隙長度減少的一側的探測線圈氣隙磁通將增大，而靠近氣隙長度增大的一側的探測線圈氣隙磁通將減小。這必然導致各探測線圈中的感應電壓幅值的不同，可以根據各線圈電壓幅值的大小，判斷電機是否發生靜偏心故障。

而當電機發生動偏心故障時，定、轉子間氣隙不再呈均勻分部，而在空間中隨轉子位置旋轉而周期性的變化。如果忽略高次諧波，則電機各探測線圈下的磁導率是轉子位置的函數，如式（1）所示。

3.3 失磁故障分析

永磁材料具有失磁特性，當嵌入電機內作為勵磁磁極後，受電機運行時溫度、電樞反應、 機械振動以及其它因素的綜合影響，永磁體發生不可逆失磁的風險增加，導致電機的性能下降甚至使電機停轉。而永磁體發生不可逆失磁故障的原因大部分可以歸結為兩個因素：電樞反應衝擊電流產生的去磁磁勢和運行溫度的升高。永磁同步電機在設計時，通常會把空載反電動勢 E 0 設置在一個合理的範圍，以便節省永磁材料、提高功率因素和電機效率。

電機製成後，也可以通過調節供電電壓來調節無功功率和功率因素。而當電機負載轉矩不變即輸出功率不變時，不計輸入電壓和空載反電動勢 E 0 變化引起的定子鐵耗和附加損耗的變化，則電磁功率也不變。當供電電壓不變時，為保證電磁功率不變，永磁體發生失磁故障後，E0將會減小，隨之而來的就是功角和電樞電流的增大，實際上，隨著電機不可逆失磁的產生，電機的鐵損和銅損都會增加，電機效率會明顯下降。

永磁體發生失磁有可能是局部的，也有可能是均勻的。為了模擬電機發生失磁故障狀態，將電機的每一個瓦片形磁極任意分為 A、B、C、D、E 共 5 塊大小不等的小磁極，將不同磁感應強度大小的永磁材料分配給每一塊小區域，用以模擬失磁故障的發生。

通過表 3 可以分析電機失磁後的感應電動勢幅值、頻譜以及其它參數的變化。從正常和故障情況下電機的空載特性對比來看，當電機空載運行時，不可逆失磁發生的位置及失磁程度不相同時，空載反電動勢的幅值 E 0 在失磁故障狀態下都是減少的，同時進一步分析得到隨著故障程度的增加，反電勢的正弦總諧波畸變率 THD 有所增加。但因磁極仍然對稱，且採用分布短矩繞組，電勢波形仍然保持較好的正弦性。對於額定負載狀態下失磁故障對電機參數性能的影響，通過有限元結果可以看出，電機產生不可逆退 磁後，除電機的空載反電動勢 E0 減小外，其它參數包括定子電流、電機損耗以及功角都增加，電機的效率和穩定性都有所下降。

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結語

本文分析了永磁同步電機的各類常見故障的工況的發生，為永磁同步電機的早期和實時故障診斷提供了一定的理論依據和思路。可惜的是目前尚缺少相關的實驗驗證，可以進一步研究電機的故障診斷技術。