基于Ansoft的永磁電機定子匝間短路故障仿真實現方法

任海洲+董鵬飛+張國華+蔣漫+劉煥虎

摘 要：隨著第三代永磁材料成本下降，永磁電機以其高效節能的突出優勢已成為當今工業電機、風力發電以及電動汽車驅動電機的首選。永磁電機的廣泛應用，使得其故障研究已成為關注的熱點。本文對永磁電機定子匝間短路故障的模擬方法進行了研究，提出在Ansoft軟件環境下，可以通過改變定子繞組匝數和激勵源的大小兩種方法實現，求解后便可得到永磁電機匝間短路后的故障性能曲線和參數。

關鍵詞：永磁；電機；定子；匝間短路

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.130

1 引言

永磁電機因其用永磁體代替了轉子上的勵磁繞組，使其具有效率高、體積小、節能效果明顯等特點，致使傳統電機本體的永磁化是其重要的發展方向，同時也成為節能產品首選電機機型，常見的永磁電機主要包括永磁同步電機，永磁無刷直流電機，永磁直線電機等。永磁電機在長期連續運行過程中，如果外界條件比較惡劣，將有可能引發各種故障，而定子匝間短路故障是最常見的故障之一，如不能及時發現，將會進一步惡化，發展為嚴重的單相接地故障和相間故障，甚至破壞性更大的三相短路故障，影響生產的產品質量和所拖動機械設備的工作狀態。隨著永磁電機在汽車工業、航空系統、電力產業等行業的廣泛應用，吸引了更多學者對永磁電機故障展開研究，而電機的故障實驗研究是一項破壞性研究，因此仿真分析方法是電機故障研究常用的方法，在仿真分析的基礎上對電機故障進行研究更具有目的性，同時也為故障實驗的研究提供依據，基于此，本文對永磁電機定子匝間短路故障的仿真實現方法進行了探索。

2 永磁電機仿真模型的建立

Ansoft軟件是有限元（FEM）數值分析方法的一種，可以用來分析電機、變壓器等電磁裝置的靜態、穩態、瞬態、正常工況和故障工況的各種特性[1]，其所所建模型能夠反映電機內部各種因素的影響。本文以Ansoft/Maxwell為仿真平臺，仿真電機為豐田混合動力車驅動用永磁同步電機，其額定功率為42kW，永磁體呈V型分布，定子繞組為單層線圈結構，極對數為4，定子槽數為48。

3 定子匝間短路故障仿真實現方法

永磁同步電機定子匝間短路故障在負載和動態仿真時，均可以通過兩種方法實現：一是改變任意相任意線圈繞組的匝數；二是改變電流或者電壓激勵源的大小。電機定子繞組發生匝間短路后，其阻抗參數隨之變化，通過故障后阻抗參數的計算，可實現對定子匝間短路故障類型和故障嚴重程度的定性和定量分析。由文獻[2][3]可知，正常情況下，定子繞組電阻和漏抗的計算公式如式（1）和式（2）所示。

（1）

（2）

式中，Nl為每相串聯匝數；lc為線圈半匝平均長度；AC1為導體截面積；a1為相繞組的并聯支路數；p為極對數；q為每極每相槽數；lef為電樞軸向計算長度；∑λ為槽比漏磁導、諧波比漏磁導、端部比漏磁導之和。用M表示定子繞組發生短路的匝數，用N/1=N1-M代替式（1）和（2）中的N1，即可計算出定子匝間短路故障后的定子阻抗參數，據此，可以建立電機定子匝間短路故障模型，用于分析定子匝定短路故障后電機的性能變化。基于此，以Ansoft為仿真平臺，便可用兩種方法實現定子繞組匝間短路故障的模擬。

3.1 改變激勵源中定子繞組匝數

永磁同步電機定子匝間短路故障是比較常見的電機內部故障之一，基于Ansoft軟件平臺搭建電機模型，可以通過改變定子繞組匝數實現定子匝間短路故障的模擬。由電機結構可知，A相有16個槽，每極每相槽數為2，電機正常運行，其并聯繞組為9。在工程樹下，選擇Excitations欄下的繞組PhA，選中模擬發生故障的定子繞組線圈，通過改變繞組匝數用以實現仿真。假設定子匝間短路故障發生在PhaseA1繞組，將其匝數設為7匝，用以模擬兩匝發生短路。若為A相多個繞組發生定子匝間短路故障，可按此操作步驟進行重復操作。定子繞組匝數設置完成后，設置仿真數的設置，運行求解步驟，經后處理，便可得到永磁電機故障運行狀態下的各種性能參數和特性曲線。

3.2 改變定子激勵源的大小

永磁電機定子匝間短路故障時，定子繞組電流將會發生改變，進而嚴重影響電機的正常運行，在動態分析時，通過設置激勵源參數，模擬定子匝間短路故障，設置分析參數，在后處理中，便可對參數及性能曲線進行分析和處理。在項目工程中，選擇項目欄Exciltation下的PhA，通過其屬性窗口。若施加的激勵源為電流源，將其A相電流（Current）分別增大為原來的1/16、1/8、1/4、1/2倍，用以模擬不同程度的定子匝間短路故障。正常狀態下，A相激勵，其中Thet為初相位，Imax為最大輸入激勵電流，增大后分別為1/16Imax、1/8Imax、1/4Imax和1/2Imax，分析各種匝間短路工況下的特征參量，與電機正常狀態運行進行對比，得到定子繞組匝間短路對電機性能的影響。

4 結束語

通過改變激勵源中定子匝數和電流或者電壓激勵源的大小，便可以對永磁電機的定子匝間短路故障進行仿真分析，雖然兩種模擬方法實現的原理基本相同，但通過改變激勵源中定子線圈的匝數可以實現對任意相任意單個或者多個繞組定子匝間短路故障的仿真；而改變定子電流激勵源的大小模擬電機短路故障的仿真方法，僅能實現對任意相匝間短路整體效果的模擬。其它原因也可以引起定子電流改變，比如外電路故障，不對稱故障以及電源故障等，因此，該方法模擬的是一種相對的效果。故障設置之后，便可對電機轉矩、感應電動勢、磁鏈、阻抗、電磁力等參數的變化進行分析，為實現電機故障實驗和故障診斷的研究提供依據。

參考文獻：

[1]趙博，張洪亮等.Ansoft12 在工程電磁場中的應用[M].北京： 中國水利水電出版社，2009.

[2]胡之光.電機電磁場的分析與計算[M].北京：機械工業出社， 1982.

[3]馬宏忠，張志艷，張志新等.雙饋異步發電機定子匝間短路故障診斷研究[J].電機與控制學報，2011，15（11）：50-53

作者簡介：任海洲（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：電氣設備狀態檢測和水電機組運行經濟調度。