基于Ansoft的永磁电机定子匝间短路故障仿真实现方法

任海洲+董鹏飞+张国华+蒋漫+刘焕虎

摘 要：随着第三代永磁材料成本下降，永磁电机以其高效节能的突出优势已成为当今工业电机、风力发电以及电动汽车驱动电机的首选。永磁电机的广泛应用，使得其故障研究已成为关注的热点。本文对永磁电机定子匝间短路故障的模拟方法进行了研究，提出在Ansoft软件环境下，可以通过改变定子绕组匝数和激励源的大小两种方法实现，求解后便可得到永磁电机匝间短路后的故障性能曲线和参数。

关键词：永磁；电机；定子；匝间短路

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

1 引言

永磁电机因其用永磁体代替了转子上的励磁绕组，使其具有效率高、体积小、节能效果明显等特点，致使传统电机本体的永磁化是其重要的发展方向，同时也成为节能产品首选电机机型，常见的永磁电机主要包括永磁同步电机，永磁无刷直流电机，永磁直线电机等。永磁电机在长期连续运行过程中，如果外界条件比较恶劣，将有可能引发各种故障，而定子匝间短路故障是最常见的故障之一，如不能及时发现，将会进一步恶化，发展为严重的单相接地故障和相间故障，甚至破坏性更大的三相短路故障，影响生产的产品质量和所拖动机械设备的工作状态。随着永磁电机在汽车工业、航空系统、电力产业等行业的广泛应用，吸引了更多学者对永磁电机故障展开研究，而电机的故障实验研究是一项破坏性研究，因此仿真分析方法是电机故障研究常用的方法，在仿真分析的基础上对电机故障进行研究更具有目的性，同时也为故障实验的研究提供依据，基于此，本文对永磁电机定子匝间短路故障的仿真实现方法进行了探索。

2 永磁电机仿真模型的建立

Ansoft软件是有限元（FEM）数值分析方法的一种，可以用来分析电机、变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的各种特性[1]，其所所建模型能够反映电机内部各种因素的影响。本文以Ansoft/Maxwell为仿真平台，仿真电机为丰田混合动力车驱动用永磁同步电机，其额定功率为42kW，永磁体呈V型分布，定子绕组为单层线圈结构，极对数为4，定子槽数为48。

3 定子匝间短路故障仿真实现方法

永磁同步电机定子匝间短路故障在负载和动态仿真时，均可以通过两种方法实现：一是改变任意相任意线圈绕组的匝数；二是改变电流或者电压激励源的大小。电机定子绕组发生匝间短路后，其阻抗参数随之变化，通过故障后阻抗参数的计算，可实现对定子匝间短路故障类型和故障严重程度的定性和定量分析。由文献[2][3]可知，正常情况下，定子绕组电阻和漏抗的计算公式如式（1）和式（2）所示。

（1）

（2）

式中，Nl为每相串联匝数；lc为线圈半匝平均长度；AC1为导体截面积；a1为相绕组的并联支路数；p为极对数；q为每极每相槽数；lef为电枢轴向计算长度；∑λ为槽比漏磁导、谐波比漏磁导、端部比漏磁导之和。用M表示定子绕组发生短路的匝数，用N/1=N1-M代替式（1）和（2）中的N1，即可计算出定子匝间短路故障后的定子阻抗参数，据此，可以建立电机定子匝间短路故障模型，用于分析定子匝定短路故障后电机的性能变化。基于此，以Ansoft为仿真平台，便可用两种方法实现定子绕组匝间短路故障的模拟。

3.1 改变激励源中定子绕组匝数

永磁同步电机定子匝间短路故障是比较常见的电机内部故障之一，基于Ansoft软件平台搭建电机模型，可以通过改变定子绕组匝数实现定子匝间短路故障的模拟。由电机结构可知，A相有16个槽，每极每相槽数为2，电机正常运行，其并联绕组为9。在工程树下，选择Excitations栏下的绕组PhA，选中模拟发生故障的定子绕组线圈，通过改变绕组匝数用以实现仿真。假设定子匝间短路故障发生在PhaseA1绕组，将其匝数设为7匝，用以模拟两匝发生短路。若为A相多个绕组发生定子匝间短路故障，可按此操作步骤进行重复操作。定子绕组匝数设置完成后，设置仿真数的设置，运行求解步骤，经后处理，便可得到永磁电机故障运行状态下的各种性能参数和特性曲线。

3.2 改变定子激励源的大小

永磁电机定子匝间短路故障时，定子绕组电流将会发生改变，进而严重影响电机的正常运行，在动态分析时，通过设置激励源参数，模拟定子匝间短路故障，设置分析参数，在后处理中，便可对参数及性能曲线进行分析和处理。在项目工程中，选择项目栏Exciltation下的PhA，通过其属性窗口。若施加的激励源为电流源，将其A相电流（Current）分别增大为原来的1/16、1/8、1/4、1/2倍，用以模拟不同程度的定子匝间短路故障。正常状态下，A相激励，其中Thet为初相位，Imax为最大输入激励电流，增大后分别为1/16Imax、1/8Imax、1/4Imax和1/2Imax，分析各种匝间短路工况下的特征参量，与电机正常状态运行进行对比，得到定子绕组匝间短路对电机性能的影响。

4 结束语

通过改变激励源中定子匝数和电流或者电压激励源的大小，便可以对永磁电机的定子匝间短路故障进行仿真分析，虽然两种模拟方法实现的原理基本相同，但通过改变激励源中定子线圈的匝数可以实现对任意相任意单个或者多个绕组定子匝间短路故障的仿真；而改变定子电流激励源的大小模拟电机短路故障的仿真方法，仅能实现对任意相匝间短路整体效果的模拟。其它原因也可以引起定子电流改变，比如外电路故障，不对称故障以及电源故障等，因此，该方法模拟的是一种相对的效果。故障设置之后，便可对电机转矩、感应电动势、磁链、阻抗、电磁力等参数的变化进行分析，为实现电机故障实验和故障诊断的研究提供依据。

参考文献：

[1]赵博，张洪亮等.Ansoft12 在工程电磁场中的应用[M].北京： 中国水利水电出版社，2009.

[2]胡之光.电机电磁场的分析与计算[M].北京：机械工业出社， 1982.

[3]马宏忠，张志艳，张志新等.双馈异步发电机定子匝间短路故障诊断研究[J].电机与控制学报，2011，15（11）：50-53

作者简介：任海洲（1984-），男，硕士，工程师，研究方向：电气设备状态检测和水电机组运行经济调度。