永磁同步电机多故障损耗分析与磁热耦合研究

许小伟,杨 炎,肖祎然,李 随

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院，武汉 430065)

0 引 言

永磁同步电机多发的故障类型可分为单一和耦合故障[1]，单一故障中短路故障与失磁故障联系较为紧密，在高温的影响下极易发生这两种故障耦合。短路故障使得定子绕组某些线圈电流突然增大，使电机内损耗增加，进而提高了电机内温升，并且电机温升过高会导致磁钢可逆退磁，严重时造成永磁体不可逆退磁和电机损坏[2]。因此分析多故障下的电机内损耗以及温度场的特征变化对电机故障监测和预防是有帮助的。

目前，多数研究都是从电机本体优化设计的角度进行温度场分析，如文献[3]对考虑谐波的铜损、铁损和永磁涡流损进行了优化，以提高热性能。文献[4]考虑了机壳的颜色和平滑度对内部温度分布的影响，结论可应用于检查敏感元件的温度是否超过允许的极限。文献[5]考虑磁场强度和磁场频率对铁心磁化特性的影响，提高了电机电磁场、损耗及温度预测的准确性。文献[6]从多方面对比分析了三种冷却水道在不同工况下电机的温升，选取了最佳水道流速，并使用温升试验验证了其正确性。文献[7]证明了磁热耦合仿真在分析电机内部温度场分布时的准确性。部分研究用于电机单一故障分析，如文献[8]针对永磁电动机中逆变器的故障可能会导致严重的机械振动，绕组过热以及磁体的热消磁。解决了一相上部开关开路故障下永磁同步电动机的电磁场和温度分布问题。文献[9]研究了逆变器故障对电机电磁场和温度场的影响规律，实现逆变器的故障检测、诊断与容错提供有效理论指导。文献[10]建立了二维电机全模型，研究了电机在发生各种短路故障时平稳运转状态下的温度场分布情况。文献[11]通过建立定子绕组等效温度场模型，来研究异步电机断相后各相绕组的温度场分布情况，能够从温升的角度对电机故障诊断给予一定的理论参考。

根据目前的现状分析，在考虑个别故障状态下对电机进行热分析的研究，大部分通过公式法先算出电机损耗，再将这部分损耗均匀加载到温度场模型上作为热源来进行仿真。在电机实际运行过程中的电磁场与温度场的关系是相互耦合的，电磁场分析中电机各部分结构损耗的真实损耗分布，需建立电磁损耗的仿真结果与温度场模型互相映射的关系。本文研究的对象是一款车用表贴式三相永磁同步电机，采用电磁场-温度场直接耦合的分析方法，研究不同电机故障时耦合场下定子与磁钢在不同故障状态下的温度场变化。

1 电机模型与参数

本文的研究对象为表贴式三相永磁同步电机，定子绕组的绕线方式为双层绕组，连接方式为Y形联结，模型基本参数设置如表1所示。

表1 永磁同步电机主要参数设置

根据电机基本尺寸参数，在Maxwell中的RMxprt模块中进行参数输入，建立电机的基本全模型，创建“Maxwell 2D Design”，自动生成电机1/4有限元模型图如图1所示。

(a)电机基本模型

对于电机故障条件的设置，利用外电路控制匝间短路故障，选择改变A相不同绕组匝数，同时改变对应定子绕组阻抗参数，可以实现对该故障程度的定量分析；相间短路故障即某两相之间发生短路，因此，改变外电路的某两相之间的连接状态即可实现该故障的模拟，故障外电路如图2所示。对于失磁故障，本文选择改变永磁体磁化参数矫顽力的大小来实现退磁故障模型的模拟，即在Maxwell中改变材料矫顽力参数值的大小。

(a)匝间短路

2 永磁同步电机电磁损耗分析

2.1 正常电机模型损耗曲线研究

永磁同步电机运行中产生的损耗几乎是以热能的形式呈现，电机损耗主要分为铁损、铜损、永磁体涡流损耗以及小部分机械损耗[12]。

(1)铁损耗

分别设定电机输入电流为0，得到空载工况下的电机铁心损耗；输入额定电压源，以1 500 r/min的转速稳定运转，通过Maxwell仿真得到瞬态磁场的铁心损耗曲线，如图3所示。

(a)空载

(2)铜损耗

电机工作时绕组线圈中铜导线产生的电阻损耗是铜损耗的主要来源，永磁同步电机内铜损耗除了绕组损耗外，还包括其他多种铜损耗。绕组铜耗随时间变化的仿真曲线，如图4所示，绕组铜耗在40 ms以后波动范围逐渐收敛。

图4 电机绕组铜损耗

(3)永磁体涡流损耗

涡流损耗相对于定子绕组铜耗而言较小，本文永磁体使用的材料为钕铁硼 NdFe35，结构为表贴式磁极。正常工作时，永磁体在方向不断改变的磁场中充当导体切割磁感线从而产生涡流损耗，仿真结果如图5所示。

(a)空载

电机空载稳定运行时，永磁体涡流损耗先直接增长到一个较大值，然后稳定在小范围内上下波动。以上现象表明，涡流损耗对电机温升存在一定影响。

(4)机械损耗

电机的机械损耗包括摩擦阻力和风阻产生的消耗，要准确计算这部分损耗十分困难，并且该损耗对本文电机类型影响较小，因此，本文研究电机温度场不考虑此因素。

2.2 不同故障类型损耗曲线研究

根据各类故障有限元模型电磁场仿真分析得到如图6、图7所示损耗结果。

(a)匝间短路

(a)匝间短路

损耗曲线趋于一定的幅值波动后会逐渐趋向稳定，前100 ms是属于电机正常情况下的损耗曲线。而在100 ms时刻由压控开关闭合来控制故障发生，导致趋于稳定波动的曲线有一定幅值的上升并伴随波动，永磁体损耗曲线在故障发生后波动幅值明显增大。

2.2.2 耦合故障损耗曲线结果

上述对单一故障损耗分析只选择一种故障程度进行分析，耦合故障选择三种故障程度进行损耗分析。

匝间短路-失磁故障耦合程度如下定义：

情况(a)匝间短路2匝和失磁25%；

情况(b)匝间短路3匝和失磁50%；

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情况(c)匝间短路4匝和失磁75%。

相间短路-失磁故障耦合程度如下定义：

情况(a)A,B相间短路和失磁25%；

情况(b)A,B相间短路和失磁50%；

情况(c)A,B相间短路和失磁75%。

不同故障情况下铁心损耗、涡流损耗仿真曲线如图8、图9所示。

(a)匝间短路-失磁

(a)匝间短路-失磁

根据三种耦合程度下的匝间短路-失磁故障损耗曲线可知，随着故障程度增加，在100 ms发生耦合故障时，铁心损耗整体波动无明显变化，永磁体涡流损耗较未发生耦合故障时出现明显不规律的波动。伴随损耗增加，可以得到随着匝间短路-失磁故障的耦合程度增加，各部分损耗值均增加。相间短路-失磁故障损耗曲线，随着故障程度增加，铁心损耗整体波动逐渐减小并趋于稳定，永磁体涡流损耗与未发生耦合故障时未出现明显的波动，铁心损耗、涡流损耗小幅增加。

3 永磁同步电机磁热耦合分析

3.1 耦合计算方法

目前，应用有限元计算电机温升的主要方法是单场计算，即在电磁场与温度场中分别计算，在有限元分析中有单向耦合和双向耦合两种耦合分析方法。

单向耦合是将计算得出的电磁场损耗直接作为热源进行温度场分析，忽略了磁与热之间的互相作用。双向耦合是将电磁场与温度场之间进行数据信息互通，当电磁场算出的损耗被作为热源施加在温度场进行计算时，由温度场有限元仿真得到的温升情况将反馈给电磁场并确定该温升下材料的特性，如此循环迭代多次直到稳定[13]。

由上述两种耦合计算方法可知，单向耦合计算占用计算机资源小，条件设置简单；双向耦合计算所需计算时间较久，并且需要多次仿真迭代直到稳定，温度对材料特性的影响较为复杂，本文对于温度场的研究同样采用单向耦合的方法，直接赋予电机工作初始温度以及导入故障损耗作为热源，观察电机故障瞬态下的温升以及温度分布情况。

3.2 边界条件与导热系数

在对电机进行温度场计算之前，需要确定电机主要表面的散热系数和边界条件，由于永磁同步电机的结构较为复杂，导致其热量传递路径较为复杂，电机产生的热量大部分是通过机壳与外界空气进行热对流和热辐射的方式散发出去，通过辐射传导散发的热量可以忽略不计。

由热传导定律可知，材料的热力学特性会直接影响其热传导系数。在本文中模型仿真区域内存在绕组铜线、硅钢片、永磁体等部分，在常温25℃时各个材料的热力学参数如表2所示。

表2 各材料的导热系数

电机温度场仿真的边界条件如下：

(1)查询相关资料可知，机壳与外界空气为对流换热，散热系数为10～30 W/(m2·℃)，可以选择两者中间值即20 W/(m2·℃)；

(2)电机工作时，考虑到定、转子发生相对运动，导致转子与定子之间的内外两层气隙发生热对流，使模型的建立变得较为复杂。为了简化气隙空气模型的计算，用等效热对流系数来替代气隙中的流动空气，能得到同样的效果[14]。电机内部定子、转子之间的气隙为对流换热，因此可以等效散热系数为20 W/(m2·℃)。

3.3 不同故障类型下温度场分布

将电磁场计算得到的损耗作为热源导入到Workbench中进行联合仿真,得到不同故障条件下的温度场分布。

3.3.1 单一故障温度场结果

单一故障选择匝间短路故障、相间短路故障和失磁故障做磁热耦合温度场研究分析。温度场结果如图10、图11所示。

(a)匝间短路

(a)匝间短路

由匝间短路故障温度分布图10(a)、图11(a)可以看出，对于定子温度分布来说,发生故障后温升变化不大，由80 ℃上升了0.37 ℃，发热部分保持在定子铁心和定子绕组端部位置，而磁钢温度变化较大，显著上升9.86 ℃,且高温部分靠近磁钢两边呈现出对称分布的趋势。当发生相间短路故障时，定子温升与匝间短路故障时温升相差0.3 ℃左右，磁钢温度上升8.88 ℃，高温区域依旧靠近磁钢外表面，以分段式出现高温部分。由失磁故障温度分布图10(c)、图11(c)可知，失磁故障下定子的温度上升了0.43 ℃，磁钢温度上升了8.05 ℃，高温区域依旧在磁钢两个边角附近。综合来看，单一故障发生时对定子温度场分布带来的影响较小，对磁钢温升影响较大。

3.3.2 耦合故障温度场结果

耦合故障选择匝间短路-失磁故障、相间短路-失磁故障两种耦合故障做磁热温度场研究分析。

图12、图13为电机在初始温度80 ℃、仿真1 s时不同故障程度的定子与磁钢温度场分布图。

(a)耦合程度(a),(b),(c)下定子温度分布

(a)耦合程度(a),(b),(c)下定子温度分布

由图12,图13(a)可知，三种耦合故障程度下定子最高温度分别为80.361 ℃、80.917 ℃、81.776 ℃，相间短路-失磁耦合故障定子最高温度分别为80.352 ℃、80.381 ℃、80.393 ℃，定子温升与所设初始电机运行温度80 ℃相差较小，这是因为仿真时间较短，但可以看出，定子铁心和定子绕组端部位置温度较高，最高温度均出现在绕组齿槽间位置。以上现象的原因是靠近定子槽底部位置，由于转子高速旋转带动周围的冷空气能有效散发热量，所以温度相对较低，但是定子齿槽部分只能靠气隙中的空气层与外界进行热交换，散热较为困难。

由图12、图13(b)可知，磁钢温度主要在外表面均匀分布，随着故障程度加重，温度上升较快。匝间短路-失磁耦合故障磁钢温度分别上升至87.9 ℃、90.5 ℃、91.6 ℃。相间短路-失磁耦合故障磁钢温度分别上升至89.586 ℃、90.220 ℃、90.826 ℃。高温分布区域由表面均匀分布变化为最高温度点出现在磁钢边角以及中间部分位置。由此可以看出，故障引起温度上升对磁钢的影响较为严重。

3.4 不同故障磁-热仿真结果对比分析

结合电机内部电磁场损耗分析结果，针对不同故障类型温度场进行对比分析，得到的仿真结果整理如图14所示。

(a)故障与损耗关系

由图14(a)可知，当电机内出现不同故障时，定子铁心损耗只有小幅度波动，这是由于电机故障使内部谐波磁场增加，使铁心损耗有小幅度增加，而铁心损耗上升幅度较小则是因为电机的定子采用叠片的结构形式叠压组装[15]。

涡流损耗变化幅度根据电机故障种类会有明显的不同，因为不同故障带来不同的电枢电流变化，从而引起谐波磁场增加，故产生不同的涡流损耗。以匝间短路故障为例(如图14(a)所示)，匝间短路故障带来电枢电流不对称，造成的涡流损耗比正常运行时多出将近一半，所以永磁同步电机匝间短路故障对涡流损耗有很大的影响，而且当发生耦合故障时，这种影响将会更加明显。

对于耦合故障来说，在失磁程度相同的情况下，匝间短路-失磁故障比相间短路-失磁故障温度升高较大(如图14(b)所示)，这是因为匝间短路产生较大的瞬态不平衡短路电流[16]，出现不对称度较大的电流变化产生多余的损耗，产生额外温升；同时磁钢温度变化明显要高于定子温度变化，这是因为磁钢材料对温度较为敏感，损耗增加直接导致温度上升，威胁磁钢励磁性能。

4 结 语

本文采用电磁场与温度场耦合的方法，利用有限元分析软件得到了故障电机在磁热耦合场下的温度分布结果。通过电磁场仿真得到了电磁场损耗曲线，以此作为热源输入，得出永磁同步电机不同故障下的温度场分布图，总结出正常工况不同故障类型的温升规律。研究结果表明，随着故障程度加重，电机损耗越大，永磁体受到损耗影响，温升幅值比定子表现更加明显，磁钢高温区域分布在边角位置，该位置更易产生失磁故障；对于不同故障类型影响，耦合故障比任意单一故障温升加剧，匝间短路-失磁故障受瞬态短路电流不平衡影响比相间短路-失磁故障温升更高。