永磁同步電機多故障損耗分析與磁熱耦合研究

許小偉,楊 炎,肖祎然,李 隨

(武漢科技大學 汽車與交通工程學院，武漢 430065)

0 引 言

永磁同步電機多發(fā)的故障類型可分為單一和耦合故障[1]，單一故障中短路故障與失磁故障聯(lián)系較為緊密，在高溫的影響下極易發(fā)生這兩種故障耦合。短路故障使得定子繞組某些線圈電流突然增大，使電機內損耗增加，進而提高了電機內溫升，并且電機溫升過高會導致磁鋼可逆退磁，嚴重時造成永磁體不可逆退磁和電機損壞[2]。因此分析多故障下的電機內損耗以及溫度場的特征變化對電機故障監(jiān)測和預防是有幫助的。

目前，多數(shù)研究都是從電機本體優(yōu)化設計的角度進行溫度場分析，如文獻[3]對考慮諧波的銅損、鐵損和永磁渦流損進行了優(yōu)化，以提高熱性能。文獻[4]考慮了機殼的顏色和平滑度對內部溫度分布的影響，結論可應用于檢查敏感元件的溫度是否超過允許的極限。文獻[5]考慮磁場強度和磁場頻率對鐵心磁化特性的影響，提高了電機電磁場、損耗及溫度預測的準確性。文獻[6]從多方面對比分析了三種冷卻水道在不同工況下電機的溫升，選取了最佳水道流速，并使用溫升試驗驗證了其正確性。文獻[7]證明了磁熱耦合仿真在分析電機內部溫度場分布時的準確性。部分研究用于電機單一故障分析，如文獻[8]針對永磁電動機中逆變器的故障可能會導致嚴重的機械振動，繞組過熱以及磁體的熱消磁。解決了一相上部開關開路故障下永磁同步電動機的電磁場和溫度分布問題。文獻[9]研究了逆變器故障對電機電磁場和溫度場的影響規(guī)律，實現(xiàn)逆變器的故障檢測、診斷與容錯提供有效理論指導。文獻[10]建立了二維電機全模型，研究了電機在發(fā)生各種短路故障時平穩(wěn)運轉狀態(tài)下的溫度場分布情況。文獻[11]通過建立定子繞組等效溫度場模型，來研究異步電機斷相后各相繞組的溫度場分布情況，能夠從溫升的角度對電機故障診斷給予一定的理論參考。

根據(jù)目前的現(xiàn)狀分析，在考慮個別故障狀態(tài)下對電機進行熱分析的研究，大部分通過公式法先算出電機損耗，再將這部分損耗均勻加載到溫度場模型上作為熱源來進行仿真。在電機實際運行過程中的電磁場與溫度場的關系是相互耦合的，電磁場分析中電機各部分結構損耗的真實損耗分布，需建立電磁損耗的仿真結果與溫度場模型互相映射的關系。本文研究的對象是一款車用表貼式三相永磁同步電機，采用電磁場-溫度場直接耦合的分析方法，研究不同電機故障時耦合場下定子與磁鋼在不同故障狀態(tài)下的溫度場變化。

1 電機模型與參數(shù)

本文的研究對象為表貼式三相永磁同步電機，定子繞組的繞線方式為雙層繞組，連接方式為Y形聯(lián)結，模型基本參數(shù)設置如表1所示。

表1 永磁同步電機主要參數(shù)設置

根據(jù)電機基本尺寸參數(shù)，在Maxwell中的RMxprt模塊中進行參數(shù)輸入，建立電機的基本全模型，創(chuàng)建“Maxwell 2D Design”，自動生成電機1/4有限元模型圖如圖1所示。

(a)電機基本模型

對于電機故障條件的設置，利用外電路控制匝間短路故障，選擇改變A相不同繞組匝數(shù)，同時改變對應定子繞組阻抗參數(shù)，可以實現(xiàn)對該故障程度的定量分析；相間短路故障即某兩相之間發(fā)生短路，因此，改變外電路的某兩相之間的連接狀態(tài)即可實現(xiàn)該故障的模擬，故障外電路如圖2所示。對于失磁故障，本文選擇改變永磁體磁化參數(shù)矯頑力的大小來實現(xiàn)退磁故障模型的模擬，即在Maxwell中改變材料矯頑力參數(shù)值的大小。

(a)匝間短路

2 永磁同步電機電磁損耗分析

2.1 正常電機模型損耗曲線研究

永磁同步電機運行中產生的損耗幾乎是以熱能的形式呈現(xiàn)，電機損耗主要分為鐵損、銅損、永磁體渦流損耗以及小部分機械損耗[12]。

(1)鐵損耗

分別設定電機輸入電流為0，得到空載工況下的電機鐵心損耗；輸入額定電壓源，以1 500 r/min的轉速穩(wěn)定運轉，通過Maxwell仿真得到瞬態(tài)磁場的鐵心損耗曲線，如圖3所示。

(a)空載

(2)銅損耗

電機工作時繞組線圈中銅導線產生的電阻損耗是銅損耗的主要來源，永磁同步電機內銅損耗除了繞組損耗外，還包括其他多種銅損耗。繞組銅耗隨時間變化的仿真曲線，如圖4所示，繞組銅耗在40 ms以后波動范圍逐漸收斂。

圖4 電機繞組銅損耗

(3)永磁體渦流損耗

渦流損耗相對于定子繞組銅耗而言較小，本文永磁體使用的材料為釹鐵硼 NdFe35，結構為表貼式磁極。正常工作時，永磁體在方向不斷改變的磁場中充當導體切割磁感線從而產生渦流損耗，仿真結果如圖5所示。

(a)空載

電機空載穩(wěn)定運行時，永磁體渦流損耗先直接增長到一個較大值，然后穩(wěn)定在小范圍內上下波動。以上現(xiàn)象表明，渦流損耗對電機溫升存在一定影響。

(4)機械損耗

電機的機械損耗包括摩擦阻力和風阻產生的消耗，要準確計算這部分損耗十分困難，并且該損耗對本文電機類型影響較小，因此，本文研究電機溫度場不考慮此因素。

2.2 不同故障類型損耗曲線研究

根據(jù)各類故障有限元模型電磁場仿真分析得到如圖6、圖7所示損耗結果。

(a)匝間短路

(a)匝間短路

損耗曲線趨于一定的幅值波動后會逐漸趨向穩(wěn)定，前100 ms是屬于電機正常情況下的損耗曲線。而在100 ms時刻由壓控開關閉合來控制故障發(fā)生，導致趨于穩(wěn)定波動的曲線有一定幅值的上升并伴隨波動，永磁體損耗曲線在故障發(fā)生后波動幅值明顯增大。

2.2.2 耦合故障損耗曲線結果

上述對單一故障損耗分析只選擇一種故障程度進行分析，耦合故障選擇三種故障程度進行損耗分析。

匝間短路-失磁故障耦合程度如下定義：

情況(a)匝間短路2匝和失磁25%；

情況(b)匝間短路3匝和失磁50%；

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情況(c)匝間短路4匝和失磁75%。

相間短路-失磁故障耦合程度如下定義：

情況(a)A,B相間短路和失磁25%；

情況(b)A,B相間短路和失磁50%；

情況(c)A,B相間短路和失磁75%。

不同故障情況下鐵心損耗、渦流損耗仿真曲線如圖8、圖9所示。

(a)匝間短路-失磁

(a)匝間短路-失磁

根據(jù)三種耦合程度下的匝間短路-失磁故障損耗曲線可知，隨著故障程度增加，在100 ms發(fā)生耦合故障時，鐵心損耗整體波動無明顯變化，永磁體渦流損耗較未發(fā)生耦合故障時出現(xiàn)明顯不規(guī)律的波動。伴隨損耗增加，可以得到隨著匝間短路-失磁故障的耦合程度增加，各部分損耗值均增加。相間短路-失磁故障損耗曲線，隨著故障程度增加，鐵心損耗整體波動逐漸減小并趨于穩(wěn)定，永磁體渦流損耗與未發(fā)生耦合故障時未出現(xiàn)明顯的波動，鐵心損耗、渦流損耗小幅增加。

3 永磁同步電機磁熱耦合分析

3.1 耦合計算方法

目前，應用有限元計算電機溫升的主要方法是單場計算，即在電磁場與溫度場中分別計算，在有限元分析中有單向耦合和雙向耦合兩種耦合分析方法。

單向耦合是將計算得出的電磁場損耗直接作為熱源進行溫度場分析，忽略了磁與熱之間的互相作用。雙向耦合是將電磁場與溫度場之間進行數(shù)據(jù)信息互通，當電磁場算出的損耗被作為熱源施加在溫度場進行計算時，由溫度場有限元仿真得到的溫升情況將反饋給電磁場并確定該溫升下材料的特性，如此循環(huán)迭代多次直到穩(wěn)定[13]。

由上述兩種耦合計算方法可知，單向耦合計算占用計算機資源小，條件設置簡單；雙向耦合計算所需計算時間較久，并且需要多次仿真迭代直到穩(wěn)定，溫度對材料特性的影響較為復雜，本文對于溫度場的研究同樣采用單向耦合的方法，直接賦予電機工作初始溫度以及導入故障損耗作為熱源，觀察電機故障瞬態(tài)下的溫升以及溫度分布情況。

3.2 邊界條件與導熱系數(shù)

在對電機進行溫度場計算之前，需要確定電機主要表面的散熱系數(shù)和邊界條件，由于永磁同步電機的結構較為復雜，導致其熱量傳遞路徑較為復雜，電機產生的熱量大部分是通過機殼與外界空氣進行熱對流和熱輻射的方式散發(fā)出去，通過輻射傳導散發(fā)的熱量可以忽略不計。

由熱傳導定律可知，材料的熱力學特性會直接影響其熱傳導系數(shù)。在本文中模型仿真區(qū)域內存在繞組銅線、硅鋼片、永磁體等部分，在常溫25℃時各個材料的熱力學參數(shù)如表2所示。

表2 各材料的導熱系數(shù)

電機溫度場仿真的邊界條件如下：

(1)查詢相關資料可知，機殼與外界空氣為對流換熱，散熱系數(shù)為10～30 W/(m2·℃)，可以選擇兩者中間值即20 W/(m2·℃)；

(2)電機工作時，考慮到定、轉子發(fā)生相對運動，導致轉子與定子之間的內外兩層氣隙發(fā)生熱對流，使模型的建立變得較為復雜。為了簡化氣隙空氣模型的計算，用等效熱對流系數(shù)來替代氣隙中的流動空氣，能得到同樣的效果[14]。電機內部定子、轉子之間的氣隙為對流換熱，因此可以等效散熱系數(shù)為20 W/(m2·℃)。

3.3 不同故障類型下溫度場分布

將電磁場計算得到的損耗作為熱源導入到Workbench中進行聯(lián)合仿真,得到不同故障條件下的溫度場分布。

3.3.1 單一故障溫度場結果

單一故障選擇匝間短路故障、相間短路故障和失磁故障做磁熱耦合溫度場研究分析。溫度場結果如圖10、圖11所示。

(a)匝間短路

(a)匝間短路

由匝間短路故障溫度分布圖10(a)、圖11(a)可以看出，對于定子溫度分布來說,發(fā)生故障后溫升變化不大，由80 ℃上升了0.37 ℃，發(fā)熱部分保持在定子鐵心和定子繞組端部位置，而磁鋼溫度變化較大，顯著上升9.86 ℃,且高溫部分靠近磁鋼兩邊呈現(xiàn)出對稱分布的趨勢。當發(fā)生相間短路故障時，定子溫升與匝間短路故障時溫升相差0.3 ℃左右，磁鋼溫度上升8.88 ℃，高溫區(qū)域依舊靠近磁鋼外表面，以分段式出現(xiàn)高溫部分。由失磁故障溫度分布圖10(c)、圖11(c)可知，失磁故障下定子的溫度上升了0.43 ℃，磁鋼溫度上升了8.05 ℃，高溫區(qū)域依舊在磁鋼兩個邊角附近。綜合來看，單一故障發(fā)生時對定子溫度場分布帶來的影響較小，對磁鋼溫升影響較大。

3.3.2 耦合故障溫度場結果

耦合故障選擇匝間短路-失磁故障、相間短路-失磁故障兩種耦合故障做磁熱溫度場研究分析。

圖12、圖13為電機在初始溫度80 ℃、仿真1 s時不同故障程度的定子與磁鋼溫度場分布圖。

(a)耦合程度(a),(b),(c)下定子溫度分布

(a)耦合程度(a),(b),(c)下定子溫度分布

由圖12,圖13(a)可知，三種耦合故障程度下定子最高溫度分別為80.361 ℃、80.917 ℃、81.776 ℃，相間短路-失磁耦合故障定子最高溫度分別為80.352 ℃、80.381 ℃、80.393 ℃，定子溫升與所設初始電機運行溫度80 ℃相差較小，這是因為仿真時間較短，但可以看出，定子鐵心和定子繞組端部位置溫度較高，最高溫度均出現(xiàn)在繞組齒槽間位置。以上現(xiàn)象的原因是靠近定子槽底部位置，由于轉子高速旋轉帶動周圍的冷空氣能有效散發(fā)熱量，所以溫度相對較低，但是定子齒槽部分只能靠氣隙中的空氣層與外界進行熱交換，散熱較為困難。

由圖12、圖13(b)可知，磁鋼溫度主要在外表面均勻分布，隨著故障程度加重，溫度上升較快。匝間短路-失磁耦合故障磁鋼溫度分別上升至87.9 ℃、90.5 ℃、91.6 ℃。相間短路-失磁耦合故障磁鋼溫度分別上升至89.586 ℃、90.220 ℃、90.826 ℃。高溫分布區(qū)域由表面均勻分布變化為最高溫度點出現(xiàn)在磁鋼邊角以及中間部分位置。由此可以看出，故障引起溫度上升對磁鋼的影響較為嚴重。

3.4 不同故障磁-熱仿真結果對比分析

結合電機內部電磁場損耗分析結果，針對不同故障類型溫度場進行對比分析，得到的仿真結果整理如圖14所示。

(a)故障與損耗關系

由圖14(a)可知，當電機內出現(xiàn)不同故障時，定子鐵心損耗只有小幅度波動，這是由于電機故障使內部諧波磁場增加，使鐵心損耗有小幅度增加，而鐵心損耗上升幅度較小則是因為電機的定子采用疊片的結構形式疊壓組裝[15]。

渦流損耗變化幅度根據(jù)電機故障種類會有明顯的不同，因為不同故障帶來不同的電樞電流變化，從而引起諧波磁場增加，故產生不同的渦流損耗。以匝間短路故障為例(如圖14(a)所示)，匝間短路故障帶來電樞電流不對稱，造成的渦流損耗比正常運行時多出將近一半，所以永磁同步電機匝間短路故障對渦流損耗有很大的影響，而且當發(fā)生耦合故障時，這種影響將會更加明顯。

對于耦合故障來說，在失磁程度相同的情況下，匝間短路-失磁故障比相間短路-失磁故障溫度升高較大(如圖14(b)所示)，這是因為匝間短路產生較大的瞬態(tài)不平衡短路電流[16]，出現(xiàn)不對稱度較大的電流變化產生多余的損耗，產生額外溫升；同時磁鋼溫度變化明顯要高于定子溫度變化，這是因為磁鋼材料對溫度較為敏感，損耗增加直接導致溫度上升，威脅磁鋼勵磁性能。

4 結 語

本文采用電磁場與溫度場耦合的方法，利用有限元分析軟件得到了故障電機在磁熱耦合場下的溫度分布結果。通過電磁場仿真得到了電磁場損耗曲線，以此作為熱源輸入，得出永磁同步電機不同故障下的溫度場分布圖，總結出正常工況不同故障類型的溫升規(guī)律。研究結果表明，隨著故障程度加重，電機損耗越大，永磁體受到損耗影響，溫升幅值比定子表現(xiàn)更加明顯，磁鋼高溫區(qū)域分布在邊角位置，該位置更易產生失磁故障；對于不同故障類型影響，耦合故障比任意單一故障溫升加劇，匝間短路-失磁故障受瞬態(tài)短路電流不平衡影響比相間短路-失磁故障溫升更高。