基于Maxwell的永磁同步電機短路故障診斷研究

喬俊宇 曲娜 鹿昭勛

摘 要：針對缺少成熟電動機分析方法的情況，文章建立了基于Maxwell的永磁同步電動機二維有限元模型。通過仿真得到電機在正常工作和匝間短路故障情況下的電磁場分布和相關性能曲線。得到了不同條件下，反電勢三次諧波含量隨匝間短路程度的加劇而減少等結論，為永磁同步電機定子繞組早期匝間短路故障診斷提供了依據。

關鍵詞：匝間短路 故障診斷 永磁同步電機 Maxwell

中圖分類號：TM313 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0124-02

Abstract：As the current analysis method of motor is not sufficient， the finite element model of the two dimensional transient field of the permanent magnet synchronous motor based on Maxwell is established. By using Maxwell's powerful electromagnetic field analysis and reprocessing function， the electromagnetic field distribution and related performance curves of the motor in normal and inter-turn short circuit fault are obtained. The conclusions such as three harmonics of anti-electric potential decrease with the degree of short-circuiting between turns are obtained under different conditions. This paper provides a basis for the early short-circuit fault diagnosis of the permanent magnet synchronous motor.

Key Words：Interturn short-circuit； Fault diagnosis； Permanent magnet synchronous motor； Maxwell

永磁同步電機是由永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的電機，永磁同步電機定子匝間短路故障是一種常見的、破壞性強的故障，如果不能及時發現并排除，將出現相間短路故障、對地故障等嚴重故障。

近年來，隨著電機應用的越來越廣泛，電機故障診斷也越來越被重視。利用Maxwell對電機的仿真研究還處于起步階段。2012年，怡勇利用Maxwell 2D/3D 電磁場仿真軟件分析了反應式步進電機的電流、電磁力、轉矩等特性。2014年，江華利用Rmxprt 與Maxwell2D 對開關磁阻電機特性進行仿真。2015年，陳小偉等利用Maxwell 與Simulink 對無刷直流電機進行聯合仿真。

1 永磁同步電機模型的建立

對電機的有限元分析包括穩態磁場分析和瞬態磁場分析。穩態場通常包括所有磁場量不隨時間變化的靜態磁場和激勵時間按照正弦或者余弦規律變化的渦流磁場。瞬態分析是指當電壓、電流無規則變化，即所加載勵磁是時間、位置或者速度的函數時進行的分析。

1.1 電機模型的基本建立

全程模型的大小詳細數據按照永磁同步電機的標準和適當比例在本軟件中的繪制，電機的主要參數：定子為雙層繞組；定子槽數為48；定子外徑為130mm；轉子內徑為85mm；鐵心長度為145mm；氣隙寬度為0.4mm；極數為4。

1.2 設置繞組激勵與邊界條件

所有的計算模型都必須有激勵源，且不同的場其激勵源形式或機理均不相同。電壓可根據需要進行設置，如：Va=311*cos（2*pi*time）；Vb=311*cos（2*pi*time-120）；Vc=311*cos（2*pi*time-240）

2 匝間短路故障分析

通過改變短路線圈匝數X可以建立起匝間短路故障類型和嚴重程度的定量分析模型。在正常、A相定子繞組匝間短路情況下，達到穩態時電機內部磁密分布有細微變化。

通過匝間短路故障和正常運行結果比較可得：在正常和A相定子繞組匝間短路情況下達到穩態時，電機內部磁密分布有細微變化，轉速、轉矩都圍繞穩態值做小范圍波動，且隨著短路程度的增加，波動幅度逐漸增大，A相繞組的反電勢幅值有減小的趨勢。對比發現， A相定子繞組發生匝間短路后， A相電壓基波幅值減小，而各次諧波基本不變； B相電壓幅值不變，其各次諧波含量減小； C相電壓基波幅值不變，各次諧波明顯增加。

3 結語

利用有限元分析軟件Ansoft Maxwell建立了永磁同步電機的二維有限元仿真模型，并注入了典型的電機故障，實現了故障模型的建立和仿真，能為故障診斷提供不同故障樣本及仿真運行模擬。通過故障狀態下運行仿真結果與正常運行結果進行對比和分析可判斷出為何種故障，解決目前電機的運行故障難以排查和檢修的問題。

參考文獻

[1] 怡勇.基于Maxwell 2D/3D的反應式步進電機電磁場及轉矩仿真分析[J].機電信息，2012（24）：141-142.

[2] 江華.基于Rmxprt與Maxwell2D的開關磁阻電機特性仿真[J].防爆電機， 2014，49（6）：24-28.

[3] 陳小偉，周靜.基于Maxwell與Simulink的無刷直流電機聯合仿真[J].電子設計工程，2015，23（23）：1-4.