基于Maxwell的永磁同步电机短路故障诊断研究

乔俊宇 曲娜 鹿昭勋

摘 要：针对缺少成熟电动机分析方法的情况，文章建立了基于Maxwell的永磁同步电动机二维有限元模型。通过仿真得到电机在正常工作和匝间短路故障情况下的电磁场分布和相关性能曲线。得到了不同条件下，反电势三次谐波含量随匝间短路程度的加剧而减少等结论，为永磁同步电机定子绕组早期匝间短路故障诊断提供了依据。

关键词：匝间短路 故障诊断 永磁同步电机 Maxwell

中图分类号：TM313 文献标识码：A 文章编号：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

永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的电机，永磁同步电机定子匝间短路故障是一种常见的、破坏性强的故障，如果不能及时发现并排除，将出现相间短路故障、对地故障等严重故障。

近年来，随着电机应用的越来越广泛，电机故障诊断也越来越被重视。利用Maxwell对电机的仿真研究还处于起步阶段。2012年，怡勇利用Maxwell 2D/3D 电磁场仿真软件分析了反应式步进电机的电流、电磁力、转矩等特性。2014年，江华利用Rmxprt 与Maxwell2D 对开关磁阻电机特性进行仿真。2015年，陈小伟等利用Maxwell 与Simulink 对无刷直流电机进行联合仿真。

1 永磁同步电机模型的建立

对电机的有限元分析包括稳态磁场分析和瞬态磁场分析。稳态场通常包括所有磁场量不随时间变化的静态磁场和激励时间按照正弦或者余弦规律变化的涡流磁场。瞬态分析是指当电压、电流无规则变化，即所加载励磁是时间、位置或者速度的函数时进行的分析。

1.1 电机模型的基本建立

全程模型的大小详细数据按照永磁同步电机的标准和适当比例在本软件中的绘制，电机的主要参数：定子为双层绕组；定子槽数为48；定子外径为130mm；转子内径为85mm；铁心长度为145mm；气隙宽度为0.4mm；极数为4。

1.2 设置绕组激励与边界条件

所有的计算模型都必须有激励源，且不同的场其激励源形式或机理均不相同。电压可根据需要进行设置，如：Va=311*cos（2*pi*time）；Vb=311*cos（2*pi*time-120）；Vc=311*cos（2*pi*time-240）

2 匝间短路故障分析

通过改变短路线圈匝数X可以建立起匝间短路故障类型和严重程度的定量分析模型。在正常、A相定子绕组匝间短路情况下，达到稳态时电机内部磁密分布有细微变化。

通过匝间短路故障和正常运行结果比较可得：在正常和A相定子绕组匝间短路情况下达到稳态时，电机内部磁密分布有细微变化，转速、转矩都围绕稳态值做小范围波动，且随着短路程度的增加，波动幅度逐渐增大，A相绕组的反电势幅值有减小的趋势。对比发现， A相定子绕组发生匝间短路后， A相电压基波幅值减小，而各次谐波基本不变； B相电压幅值不变，其各次谐波含量减小； C相电压基波幅值不变，各次谐波明显增加。

3 结语

利用有限元分析软件Ansoft Maxwell建立了永磁同步电机的二维有限元仿真模型，并注入了典型的电机故障，实现了故障模型的建立和仿真，能为故障诊断提供不同故障样本及仿真运行模拟。通过故障状态下运行仿真结果与正常运行结果进行对比和分析可判断出为何种故障，解决目前電机的运行故障难以排查和检修的问题。

参考文献

[1] 怡勇.基于Maxwell 2D/3D的反应式步进电机电磁场及转矩仿真分析[J].机电信息，2012（24）：141-142.

[2] 江华.基于Rmxprt与Maxwell2D的开关磁阻电机特性仿真[J].防爆电机， 2014，49（6）：24-28.

[3] 陈小伟，周静.基于Maxwell与Simulink的无刷直流电机联合仿真[J].电子设计工程，2015，23（23）：1-4.