基于Ansoft的永磁電機(jī)定子匝間短路故障仿真實(shí)現(xiàn)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(jī)以其高效節(jié)能的突出優(yōu)勢已成為當(dāng)今工業(yè)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電以及電動汽車驅(qū)動電機(jī)的首選。永磁電機(jī)的廣泛應(yīng)用，使得其故障研究已成為關(guān)注的熱點(diǎn)。本文對永磁電機(jī)定子匝間短路故障的模擬方法進(jìn)行了研究，提出在Ansoft軟件環(huán)境下，可以通過改變定子繞組匝數(shù)和激勵源的大小兩種方法實(shí)現(xiàn)，求解后便可得到永磁電機(jī)匝間短路后的故障性能曲線和參數(shù)。

關(guān)鍵詞：永磁；電機(jī)；定子；匝間短路

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

1 引言

永磁電機(jī)因其用永磁體代替了轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組，使其具有效率高、體積小、節(jié)能效果明顯等特點(diǎn)，致使傳統(tǒng)電機(jī)本體的永磁化是其重要的發(fā)展方向，同時也成為節(jié)能產(chǎn)品首選電機(jī)機(jī)型，常見的永磁電機(jī)主要包括永磁同步電機(jī)，永磁無刷直流電機(jī)，永磁直線電機(jī)等。永磁電機(jī)在長期連續(xù)運(yùn)行過程中，如果外界條件比較惡劣，將有可能引發(fā)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(fā)現(xiàn)，將會進(jìn)一步惡化，發(fā)展為嚴(yán)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(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和所拖動機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)。隨著永磁電機(jī)在汽車工業(yè)、航空系統(tǒng)、電力產(chǎn)業(yè)等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，吸引了更多學(xué)者對永磁電機(jī)故障展開研究，而電機(jī)的故障實(shí)驗(yàn)研究是一項(xiàng)破壞性研究，因此仿真分析方法是電機(jī)故障研究常用的方法，在仿真分析的基礎(chǔ)上對電機(jī)故障進(jìn)行研究更具有目的性，同時也為故障實(shí)驗(yàn)的研究提供依據(jù)，基于此，本文對永磁電機(jī)定子匝間短路故障的仿真實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了探索。

2 永磁電機(jī)仿真模型的建立

Ansoft軟件是有限元（FEM）數(shù)值分析方法的一種，可以用來分析電機(jī)、變壓器等電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、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(jī)內(nèi)部各種因素的影響。本文以Ansoft/Maxwell為仿真平臺，仿真電機(jī)為豐田混合動力車驅(qū)動用永磁同步電機(jī)，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(jié)構(gòu)，極對數(shù)為4，定子槽數(shù)為48。

3 定子匝間短路故障仿真實(shí)現(xiàn)方法

永磁同步電機(jī)定子匝間短路故障在負(fù)載和動態(tài)仿真時，均可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)：一是改變?nèi)我庀嗳我饩€圈繞組的匝數(shù)；二是改變電流或者電壓激勵源的大小。電機(jī)定子繞組發(fā)生匝間短路后，其阻抗參數(shù)隨之變化，通過故障后阻抗參數(shù)的計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)對定子匝間短路故障類型和故障嚴(yán)重程度的定性和定量分析。由文獻(xiàn)[2][3]可知，正常情況下，定子繞組電阻和漏抗的計(jì)算公式如式（1）和式（2）所示。

（1）

（2）

式中，Nl為每相串聯(lián)匝數(shù)；lc為線圈半匝平均長度；AC1為導(dǎo)體截面積；a1為相繞組的并聯(lián)支路數(shù)；p為極對數(shù)；q為每極每相槽數(shù)；lef為電樞軸向計(jì)算長度；∑λ為槽比漏磁導(dǎo)、諧波比漏磁導(dǎo)、端部比漏磁導(dǎo)之和。用M表示定子繞組發(fā)生短路的匝數(shù)，用N/1=N1-M代替式（1）和（2）中的N1，即可計(jì)算出定子匝間短路故障后的定子阻抗參數(shù)，據(jù)此，可以建立電機(jī)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(jī)的性能變化。基于此，以Ansoft為仿真平臺，便可用兩種方法實(shí)現(xiàn)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(shù)

永磁同步電機(jī)定子匝間短路故障是比較常見的電機(jī)內(nèi)部故障之一，基于Ansoft軟件平臺搭建電機(jī)模型，可以通過改變定子繞組匝數(shù)實(shí)現(xiàn)定子匝間短路故障的模擬。由電機(jī)結(jié)構(gòu)可知，A相有16個槽，每極每相槽數(shù)為2，電機(jī)正常運(yùn)行，其并聯(lián)繞組為9。在工程樹下，選擇Excitations欄下的繞組PhA，選中模擬發(fā)生故障的定子繞組線圈，通過改變繞組匝數(shù)用以實(shí)現(xiàn)仿真。假設(shè)定子匝間短路故障發(fā)生在PhaseA1繞組，將其匝數(shù)設(shè)為7匝，用以模擬兩匝發(fā)生短路。若為A相多個繞組發(fā)生定子匝間短路故障，可按此操作步驟進(jìn)行重復(fù)操作。定子繞組匝數(shù)設(shè)置完成后，設(shè)置仿真數(shù)的設(shè)置，運(yùn)行求解步驟，經(jīng)后處理，便可得到永磁電機(jī)故障運(yùn)行狀態(tài)下的各種性能參數(shù)和特性曲線。

3.2 改變定子激勵源的大小

永磁電機(jī)定子匝間短路故障時，定子繞組電流將會發(fā)生改變，進(jìn)而嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行，在動態(tài)分析時，通過設(shè)置激勵源參數(shù)，模擬定子匝間短路故障，設(shè)置分析參數(shù)，在后處理中，便可對參數(shù)及性能曲線進(jìn)行分析和處理。在項(xiàng)目工程中，選擇項(xiàng)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(tài)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(jī)正常狀態(tài)運(yùn)行進(jìn)行對比，得到定子繞組匝間短路對電機(jī)性能的影響。

4 結(jié)束語

通過改變激勵源中定子匝數(shù)和電流或者電壓激勵源的大小，便可以對永磁電機(jī)的定子匝間短路故障進(jìn)行仿真分析，雖然兩種模擬方法實(shí)現(xiàn)的原理基本相同，但通過改變激勵源中定子線圈的匝數(shù)可以實(shí)現(xiàn)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(jī)短路故障的仿真方法，僅能實(shí)現(xiàn)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(shè)置之后，便可對電機(jī)轉(zhuǎn)矩、感應(yīng)電動勢、磁鏈、阻抗、電磁力等參數(shù)的變化進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障實(shí)驗(yàn)和故障診斷的研究提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]胡之光.電機(jī)電磁場的分析與計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出社， 1982.

[3]馬宏忠，張志艷，張志新等.雙饋異步發(fā)電機(jī)定子匝間短路故障診斷研究[J].電機(jī)與控制學(xué)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(shè)備狀態(tài)檢測和水電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度。