摘 要

电动机是一种集磁、电、力、机械热等能量于一体的复杂物理实体，电动机的研究是一个多领域的研究工作。而永磁同步电机的运行原理与普通电励磁同步电机相同，但它以永磁励磁体代替励磁绕组励磁使电机结构更简单，降低了加工和装配的费用同时还省去了容易出毛病的集电环和电刷，提高了运行的可靠性。由于无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的运行效率^[1]。但是，电机一旦出现故障，将严重影响永磁体的性能甚至能导致不可逆性退磁，将严重影响电机的运行性能。因此，对永磁电机故障分析其内部电磁场、温度场，揭示故障对电机运行影响的机理，为我们对电机故障诊断提供理论依据。本文针对电机常见的故障，定子绕组短路故障，通过maxwell建立永磁同步电机精确的物理场分析模型，通过其强大的电磁场分析计算及后处理功能，可以准确获得电机在正常情况及各种故障条件下的电磁场分布及相应的性能曲线，从而为电机的故障诊断提供科学、准确的理论依据。论文主要的研究工作如下：

以一台额定功率为70kW、额定转速为2000rmp的永磁同步电机为研究对象，采用有限元方法建立了永磁同步电机单相绕组匝间短路故障分析模型，研究了绕组故障对电机电磁场和电机运行性能的影想；提出了电机绕组故障电流不平衡度的研究方法，并以此衡量电机绕组故障对电机电流影响的程度；对电机内部电磁场的变化分析，揭示了单相线圈匝间绕组短路对电机输出转矩、输入电流、电流不对称性以及电机各部分损耗的变化机理，并给出了以上各参数随单相绕组匝间短路线圈数不同的变化规律。

关键词 永磁同步电机 、 Maxwell 、 匝间短路 、 故障分析

Abstract

   The motor is a complex physical entity that integrates magnetism, electricity, force, mechanical heat, etc. The research of the motor is a multi-field research work. The operating principle of the permanent magnet synchronous motor is the same as that of the ordinary electric excitation synchronous motor, but it uses the permanent magnet excitation instead of excitation winding excitation to make the motor structure simpler, which reduces the cost of processing and assembly and also eliminates the problem of easily collecting electricity. Rings and brushes improve operational reliability. Because there is no need for excitation current and no excitation loss, the operating efficiency of the motor is improved. However, once the motor fails, it will seriously affect the performance of the permanent magnets and even lead to irreversible demagnetization, which will seriously affect the performance of the motor. Therefore, the permanent magnet motor fault analysis of its internal electromagnetic field, temperature field, revealing the mechanism of the impact of the fault on the motor operation, provide the theoretical basis for our motor fault diagnosis. This paper aims at the common motor faults, stator winding short-circuit faults, and establishes a precise physical field analysis model of permanent magnet synchronous motor through Maxwell. Through its powerful electromagnetic field analysis calculation and post-processing functions, the motor can be accurately obtained under normal conditions and various fault conditions. Under the electromagnetic field distribution and the corresponding performance curve, thus providing a scientific, accurate theoretical basis for the fault diagnosis of the motor. The main research work of the thesis is as follows:

    Taking a permanent magnet synchronous motor with a rated power of 70kW and a rated speed of 2000rmp as the research object, a short-circuit fault analysis model for single-phase windings of permanent magnet synchronous motors was established using the finite element method to study the winding faults on the electromagnetic field and the motor of the motor. Imagine the running performance; proposed the research method of the unbalance degree of the fault current of the motor winding, and used this to measure the degree of influence of the motor winding fault on the motor current; analysis of the change of the electromagnetic field inside the motor reveals the short-circuit of the single-phase winding turn-to-turn winding. The mechanism of the output torque, input current, current asymmetry, and loss of each part of the motor, and the variation of the above parameters with the number of turns of the single-phase windings in the inter-turn winding are given.

Key words permanent magnet synchronous motor 、 Maxwell 、 turn-to-turn short circuit 、fault analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2 永磁同步电机国内外研究现状与分析 2

1.3 永磁同步电机定子匝间短路故障诊断发展趋势 3

1.4 论文主要研究内容 4

1.4.1 主要内容 4

1.4.2 章节内容安排 4

第2章 永磁同步电机绕组匝间短路对电机性能影响的研究 5

2.1 引言 5

2.2永磁同步电机基本结构与应用 5

2.2.1定子绕组短路故障的种类 7

2.3 永磁同步电机匝间短路故障的模拟及仿真 7

2.3.1仿真模型的建立 8

2.3.2 故障模型的建立与仿真 11

2.4 本章小结 15

第3章 匝间短路对电机主要参数的影响 16

3.1 匝间短路对电流不平衡度的影响 16

3.2 匝间短路对电机电势的影响 19

3.3 短路匝数对电机转矩的影响 21

3.4本章小结 22

第4章 总结与展望 23

4.1 论文研究内容总结 23

4.2 研究展望 23

参考文献 24

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

现在，在我们的日常生活中随处可见各种机械设备，比如大街上行驶的各种车辆，正在施工的地铁和正在建设楼房旁的水泥车和塔吊还有各种运输的船舶，这些机械要保证正常的运转都离不开电动机，而电动机的构造比较复杂，而设备越复杂就特容易出故障。而当电机发生故障时，不仅仅会影响电机本身的可靠运行，还会影响靠电机运行的一整套系统，有时还会对人们日常产生危害。目前，电机的故障诊断和容错运行已成为电机研究的热门之一。但是，在日常生活应用较多的电机是大型同步发电机和鼠笼式异步电机，小型的永磁同步电机研究的比较少。不过，随着车辆的普及和日常机械化越来越高，小型的永磁体同步电机越来越受到关注，研究也逐步的在深入，并取得了一些的研究成果。

在二十世纪七十年代出现了一种稀土永磁同步电机，与传统电机相比，无需电流励磁，不设电枢和滑环，结构简单，可靠性高；同时转子上无励磁损耗，无电刷和花环之间的摩擦损耗和接触电损耗，效率比其它同步电机高，使得永磁同步电机能更好的获得广泛的应用提供了基础。使用现有的maxwell 有限元分析可以得到电机内部的电磁场和温度场以及电热偶合场，可以分析永磁电机运行理论和故障原因，使得我们对电机的结构进行改进和对故障进行有效的控制。随着二十一世纪各个领域的突飞发展，在电力电子器件、自动控、永磁材料等方面也取得了一些成果，这就使得永磁电机的运行更加可靠、精确，自身的优势也逐步体现出来，将逐渐代替传统的电机。特别是在一些高安全应用领域，对电机的可靠性要求更高，对故障的发生检测格外重视，如果，在电机故障发生的初始阶段就能诊断出来，并采取措施，可保证原系统的正常运行，降低一些不必要的人力物力的损失。

永磁同步电机的优点有：与异步电机相比，永磁同步电机运行时无滑差，转子上无基波铁耗和铜耗，为双边励磁电机，功率因数接近1^[2]。功率因数的提高，一方面减少了无功功率，另一方面也使铁损和铜耗降低，效率提高。因而，在航空航天、船舶、机器人、工业自动化等方面得到了广泛的应用。缺点有：与传统电机相比，励磁磁场主要是永磁体作为励磁源，当电机发生故障时要影响到了永磁体，将会影响到电机的整体性能。永磁同步电机定子绕组匝间短路严重时将导致对地短路故障、相间短路故障等，从而引起电枢电流严重不对称，进而引起谐波磁场的增加，作用在电机转子表面，在转子表面金属护套和永磁体内部产生涡流，引起转子温度升高，可能导致永磁体永久性退磁。此外，定子绕组三相电流不平衡、缺相运行等故障都会引起电机运行性能下降，甚至造成电机永久不可逆性退磁，影响整个电机驱动系统的使用。

电机一旦发生故障，将会引起电机内部的电磁场的变化，而电磁场又会引起温度等参数的变化，致使物理场的分布更加复杂，但是有些故障我们可以根据电机的特征量信号进行分析，对特征量信号的分析为永磁同步电机的故障诊断提供理论支持具有非常重要的意义。

本课题通过对永磁同步电机单相匝间绕组发生短路故障时对应电机内部综合物理场的综合研究，建立相应的故障模型，揭示各个物理场的变化与各种故障变化的机理，所得出的理论能为未来电机故障诊断提供必要的理论依据。因此，深入研究电机单相绕组匝间短路状态下电机综合物理场，揭示电机故障运行机理具有重要意义。

1.2 永磁同步电机国内外研究现状与分析

二十世纪五十年代永磁同步电机出现。随着科学技术的发展，大多数的故障可分为：永磁体故障、电气故障、机械故障。电机主要构成部件有定子铁心、定子线圈、永磁体、转子铁心和轴承，所以故障主要发生在这几个部分。比如，转子上的永磁体由于各种原因发生不可逆性退磁的励磁故障，可导致电机性能下降，严重时导致电机无法工作；电机和驱动器之间的开路故障、定子绕组间的匝间短路故障和绕组相间短路故障的电气故障，可导致电机工作不稳定，甚至电机烧毁；电机轴承破损或者偏心故障属于机械故障，严重时导致电机无法运转。以上故障发生时将对电机正常工作造成严重的影响，在六十年代电机故障诊断和检测技术开始在全球得到发展，最近十几年由于微型计算机、电力电子技术、信号处理和人工智能取得了显著的成果而得到了快速的发展。

国外的研究现状主要存在于国家的大学和大型公司的研发部门。比如，较先进的有美国康斯威星大学麦迪逊分校的McFarland J D博士对永磁同步电机对称三相绕组匝间短路故障下的永磁体永久性不可逆性退磁进行了研究^[3]，采用有限元分析方法和电机方程数值积分计算相联合计算电机电流，瞬态分析表明故障电流将触发转子永磁体的不可逆退磁比例，瞬态退磁模型可扩展应用于研究电机运行温度和转子永磁体分段对电机重要参数的影响，还有弗吉尼亚大学和纽约大学等。韩国有电子部品研究院对永磁同步电机定子绕组匝间短路故障进行了大量的研究^[4]-[5]，提出了将电机磁通、电流和电压，通过陷波滤波器分离成正序和负序分量，应用双电流控制器，消除负序分量，搭建了永磁电动机匝间短路模型，对电机性能进行了有限元计算的具体方法。结合实验结果验证了模型的正确性，该检测方法最大的优点是不需要添加任何硬件。 法国洛林大学的Nicolas Leboeuf博士和里昂第一大学的Guy Clerc教授等人对永磁同步电机匝间短路故障也进行一些开创性的研究^[6]，最后用实验验证了附加气隙磁场的存在。日本的有京都大学和大板大学等。

国内的研究现状，在六十年代提出了不少试验方法，但是由于操作复杂和结果比较离散没有规律性而没有推广，到了八十年代国内的大学和研究所相继开展了对永磁同步电机的研究工作。目前，我国开展电机故障检测与诊断的大学比较多，有清华大学、浙江大学、东南大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、沈阳工业大学、河海大学等。特别是清华大学高景德、王祥衍教授在电机故障方面做出了杰出的贡献。北京航空航天大学刘向群教授主要致力于航天用的启发永磁直流电机的故障监测与诊断，获得了优秀的成果^[7]。在无刷直流电机故障研究等方面，西北工业大学的刘景林教授及其所在研究团队在航空航天应用领域的无刷直流电机故障诊断与检测方面做了大量有意义的工作，并取得了重要成果^[8]。浙江大学的岳二团，主要研究了气隙偏心故障下电机的运行特性以及各参数和外部负载对系统振动响应的影响，建立了永磁电机转子动力学模型，设计了基于附加控制绕组的气隙偏心补偿方法，通过仿真验证了方案的有效性^[9]。哈尔滨工业大学刘曼兰、崔淑梅等学者在永磁电机故障检测和诊断等方面进行了相关的研究^[10]。他们的主要研究特点是:提出了一种基于电流信号分析与处理的永磁直流电机常见故障的诊断模型，以易于检测的永磁直流电机电枢电流为故障诊断的信号源综合利用基于信号处理的方法来实现故障特征的提取，基于人工智能方法实现故障模式的识别^[11]。沈阳工业大学分析了永磁同步电机噪声产生的机理^[12]。河海大学的马宏忠教授对电动汽车用永磁同步电机的失磁故障检测进行了研究，并取得了很好的研究成果^[13]。

总之，关于永磁同步电机故障诊断与检测国外团队研究理论成果较丰富，而且，大部分已经从理论转化为实践，应用到日常生活中了。我国虽然起步晚，但经过这么多年无数工作者的奋斗努力，我们正在处在追赶阶段，也取的了不错的研究成果，部分也都实用化、产业化了。综述国内外的永磁同步电机故障研究可以发现，大部分都是关于永磁同步电机故障诊断与检测，而关于永磁同步电机故障发生所引起的电机综合物理场的变化和电机的运行性能研究很少，这也是本文研究的重点。

1.3 永磁同步电机定子匝间短路故障诊断发展趋势

永磁同步电机定子匝间短路故障诊断的研究主要集中在俩个方面，一是寻找故障特征量，判断故障的发生；二是判定故障的严重程度。对永磁同步电机故障的诊断目的主要是进一步分析故障发生时电机的外部特性，总结其变化的所在规律，为判断故障的发生以及所得出的理论能为未来电机故障诊断提供必要的理论依据。

根据现有的文献资料显示，永磁同步电机故障诊断主要有俩种方法，一是用有限元分析方法建立相关的模型，通过改变绕组线圈短路的匝数来模拟故障发生的严重程度，设定电机工作的相关参数来模拟其工作的环境，对电机故障进行仿真，并对电机中的定子电流和输出转矩信号进行对电机三相绕组最大电流、电流不平衡度、铁心损耗、铜损耗和三相最大反电动势进行分析，不同的分析方法就会成为不同的诊断方法。第二种是建立永磁同步电机数学模型，并借助matlab仿真平台，通过调节附加电阻的大小来模拟故障发生的严重程度，进行分析。

对于数学模型的模拟方法，建立的物理场模拟精确，算出来的电磁场误差小，具有强大的分析计算和后处理的能力，可以准确的得到电磁场的分布及相应的性能曲线，但缺点是对计算机的内存、处理能力和运行的时间要求高，很少有计算机能达到要求。基于信号变换的故障诊断方法被广泛应用，取得了很多成果，但学习功能差；基于人工智能的诊断方法虽然具有学习功能与人类思维过程相似，易于理解，对智能化故障诊断有很大的提高，但都存在获取知识有限问题。同时，永磁同步电机相对于传统电机而言，在结构与控制方式上更加复杂。现在，为了节能和拓宽电机的调速范围越来越多的以变频器作为驱动电源，增加变频器同时也增加了短路故障的发生概率。依靠单一的故障诊断技术难以满足复杂电机的设备故障诊断的要求，因此，故障诊断方向相联合方向发展，其主要有：1）基于人工智能的俩种方法相结合的联合诊断方法。2）基于信号变换的诊断方法与人工智能方法相结合的联合诊断方法。3）基于信号变换的诊断方法与数学模型诊断方法相结合的联合诊断方法等多种联合诊断方法。

1.4 论文主要研究内容

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

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