許小偉,楊 炎,肖祎然,李 隨

(武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，武漢 430065)

0 引 言

永磁同步電機(jī)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(jī)內(nèi)損耗增加，進(jìn)而提高了電機(jī)內(nèi)溫升，并且電機(jī)溫升過(guò)高會(huì)導(dǎo)致磁鋼可逆退磁，嚴(yán)重時(shí)造成永磁體不可逆退磁和電機(jī)損壞[2]。因此分析多故障下的電機(jī)內(nèi)損耗以及溫度場(chǎng)的特征變化對(duì)電機(jī)故障監(jiān)測(cè)和預(yù)防是有幫助的。

目前，多數(shù)研究都是從電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，如文獻(xiàn)[3]對(duì)考慮諧波的銅損、鐵損和永磁渦流損進(jìn)行了優(yōu)化，以提高熱性能。文獻(xiàn)[4]考慮了機(jī)殼的顏色和平滑度對(duì)內(nèi)部溫度分布的影響，結(jié)論可應(yīng)用于檢查敏感元件的溫度是否超過(guò)允許的極限。文獻(xiàn)[5]考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)頻率對(duì)鐵心磁化特性的影響，提高了電機(jī)電磁場(chǎng)、損耗及溫度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[6]從多方面對(duì)比分析了三種冷卻水道在不同工況下電機(jī)的溫升，選取了最佳水道流速，并使用溫升試驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性。文獻(xiàn)[7]證明了磁熱耦合仿真在分析電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布時(shí)的準(zhǔn)確性。部分研究用于電機(jī)單一故障分析，如文獻(xiàn)[8]針對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)中逆變器的故障可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)械振動(dòng)，繞組過(guò)熱以及磁體的熱消磁。解決了一相上部開關(guān)開路故障下永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁場(chǎng)和溫度分布問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]研究了逆變器故障對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)逆變器的故障檢測(cè)、診斷與容錯(cuò)提供有效理論指導(dǎo)。文獻(xiàn)[10]建立了二維電機(jī)全模型，研究了電機(jī)在發(fā)生各種短路故障時(shí)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分布情況。文獻(xiàn)[11]通過(guò)建立定子繞組等效溫度場(chǎng)模型，來(lái)研究異步電機(jī)斷相后各相繞組的溫度場(chǎng)分布情況，能夠從溫升的角度對(duì)電機(jī)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(gè)別故障狀態(tài)下對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱分析的研究，大部分通過(guò)公式法先算出電機(jī)損耗，再將這部分損耗均勻加載到溫度場(chǎng)模型上作為熱源來(lái)進(jìn)行仿真。在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)的關(guān)系是相互耦合的，電磁場(chǎng)分析中電機(jī)各部分結(jié)構(gòu)損耗的真實(shí)損耗分布，需建立電磁損耗的仿真結(jié)果與溫度場(chǎng)模型互相映射的關(guān)系。本文研究的對(duì)象是一款車用表貼式三相永磁同步電機(jī)，采用電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)直接耦合的分析方法，研究不同電機(jī)故障時(shí)耦合場(chǎng)下定子與磁鋼在不同故障狀態(tài)下的溫度場(chǎng)變化。

1 電機(jī)模型與參數(shù)

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

表1 永磁同步電機(jī)主要參數(shù)設(shè)置

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

(a)電機(jī)基本模型

對(duì)于電機(jī)故障條件的設(shè)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(shí)改變對(duì)應(yīng)定子繞組阻抗參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)該故障的模擬，故障外電路如圖2所示。對(duì)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(lái)實(shí)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(jī)電磁損耗分析

2.1 正常電機(jī)模型損耗曲線研究

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

(1)鐵損耗

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

(a)空載

(2)銅損耗

電機(jī)工作時(shí)繞組線圈中銅導(dǎo)線產(chǎn)生的電阻損耗是銅損耗的主要來(lái)源，永磁同步電機(jī)內(nèi)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(shí)間變化的仿真曲線，如圖4所示，繞組銅耗在40 ms以后波動(dòng)范圍逐漸收斂。

圖4 電機(jī)繞組銅損耗

(3)永磁體渦流損耗

渦流損耗相對(duì)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(jié)構(gòu)為表貼式磁極。正常工作時(shí)，永磁體在方向不斷改變的磁場(chǎng)中充當(dāng)導(dǎo)體切割磁感線從而產(chǎn)生渦流損耗，仿真結(jié)果如圖5所示。

(a)空載

電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，永磁體渦流損耗先直接增長(zhǎng)到一個(gè)較大值，然后穩(wěn)定在小范圍內(nèi)上下波動(dòng)。以上現(xiàn)象表明，渦流損耗對(duì)電機(jī)溫升存在一定影響。

(4)機(jī)械損耗

電機(jī)的機(jī)械損耗包括摩擦阻力和風(fēng)阻產(chǎn)生的消耗，要準(zhǔn)確計(jì)算這部分損耗十分困難，并且該損耗對(duì)本文電機(jī)類型影響較小，因此，本文研究電機(jī)溫度場(chǎng)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(chǎng)仿真分析得到如圖6、圖7所示損耗結(jié)果。

(a)匝間短路

(a)匝間短路

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

2.2.2 耦合故障損耗曲線結(jié)果

上述對(duì)單一故障損耗分析只選擇一種故障程度進(jìn)行分析，耦合故障選擇三種故障程度進(jìn)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%；

隨著智能手機(jī)和平板的普及，智能手機(jī)、平板也和電腦一樣成為老年人的學(xué)習(xí)終端，目前許多老年教育網(wǎng)站只支持WEB版本和智能手機(jī)版本。現(xiàn)在鮮有老年網(wǎng)站能夠與平板電腦終端很好的兼容，使得老年用戶在使用平板瀏覽網(wǎng)站時(shí)體驗(yàn)較差。

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(shí)，鐵心損耗整體波動(dòng)無(wú)明顯變化，永磁體渦流損耗較未發(fā)生耦合故障時(shí)出現(xiàn)明顯不規(guī)律的波動(dòng)。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(dòng)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(shí)未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，鐵心損耗、渦流損耗小幅增加。

3 永磁同步電機(jī)磁熱耦合分析

3.1 耦合計(jì)算方法

目前，應(yīng)用有限元計(jì)算電機(jī)溫升的主要方法是單場(chǎng)計(jì)算，即在電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)中分別計(jì)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(jì)算得出的電磁場(chǎng)損耗直接作為熱源進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，忽略了磁與熱之間的互相作用。雙向耦合是將電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息互通，當(dāng)電磁場(chǎng)算出的損耗被作為熱源施加在溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由溫度場(chǎng)有限元仿真得到的溫升情況將反饋給電磁場(chǎng)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(jì)算方法可知，單向耦合計(jì)算占用計(jì)算機(jī)資源小，條件設(shè)置簡(jiǎn)單；雙向耦合計(jì)算所需計(jì)算時(shí)間較久，并且需要多次仿真迭代直到穩(wěn)定，溫度對(duì)材料特性的影響較為復(fù)雜，本文對(duì)于溫度場(chǎng)的研究同樣采用單向耦合的方法，直接賦予電機(jī)工作初始溫度以及導(dǎo)入故障損耗作為熱源，觀察電機(jī)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(dǎo)熱系數(shù)

在對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算之前，需要確定電機(jī)主要表面的散熱系數(shù)和邊界條件，由于永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，導(dǎo)致其熱量傳遞路徑較為復(fù)雜，電機(jī)產(chǎn)生的熱量大部分是通過(guò)機(jī)殼與外界空氣進(jìn)行熱對(duì)流和熱輻射的方式散發(fā)出去，通過(guò)輻射傳導(dǎo)散發(fā)的熱量可以忽略不計(jì)。

由熱傳導(dǎo)定律可知，材料的熱力學(xué)特性會(huì)直接影響其熱傳導(dǎo)系數(shù)。在本文中模型仿真區(qū)域內(nèi)存在繞組銅線、硅鋼片、永磁體等部分，在常溫25℃時(shí)各個(gè)材料的熱力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 各材料的導(dǎo)熱系數(shù)

電機(jī)溫度場(chǎng)仿真的邊界條件如下：

(1)查詢相關(guān)資料可知，機(jī)殼與外界空氣為對(duì)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(jī)工作時(shí)，考慮到定、轉(zhuǎn)子發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與定子之間的內(nèi)外兩層氣隙發(fā)生熱對(duì)流，使模型的建立變得較為復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化氣隙空氣模型的計(jì)算，用等效熱對(duì)流系數(shù)來(lái)替代氣隙中的流動(dòng)空氣，能得到同樣的效果[14]。電機(jī)內(nèi)部定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙為對(duì)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(chǎng)分布

將電磁場(chǎng)計(jì)算得到的損耗作為熱源導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行聯(lián)合仿真,得到不同故障條件下的溫度場(chǎng)分布。

3.3.1 單一故障溫度場(chǎng)結(jié)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(chǎng)研究分析。溫度場(chǎng)結(jié)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(duì)于定子溫度分布來(lái)說(shuō),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(duì)稱分布的趨勢(shì)。當(dāng)發(fā)生相間短路故障時(shí)，定子溫升與匝間短路故障時(shí)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(gè)邊角附近。綜合來(lái)看，單一故障發(fā)生時(shí)對(duì)定子溫度場(chǎng)分布帶來(lái)的影響較小，對(duì)磁鋼溫升影響較大。

3.3.2 耦合故障溫度場(chǎng)結(jié)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(chǎng)研究分析。

圖12、圖13為電機(jī)在初始溫度80 ℃、仿真1 s時(shí)不同故障程度的定子與磁鋼溫度場(chǎng)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(shè)初始電機(jī)運(yùn)行溫度80 ℃相差較小，這是因?yàn)榉抡鏁r(shí)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(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)周圍的冷空氣能有效散發(fā)熱量，所以溫度相對(duì)較低，但是定子齒槽部分只能靠氣隙中的空氣層與外界進(jìn)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(diǎn)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(duì)磁鋼的影響較為嚴(yán)重。

3.4 不同故障磁-熱仿真結(jié)果對(duì)比分析

結(jié)合電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)損耗分析結(jié)果，針對(duì)不同故障類型溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，得到的仿真結(jié)果整理如圖14所示。

(a)故障與損耗關(guān)系

由圖14(a)可知，當(dāng)電機(jī)內(nèi)出現(xiàn)不同故障時(shí)，定子鐵心損耗只有小幅度波動(dòng)，這是由于電機(jī)故障使內(nèi)部諧波磁場(chǎng)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?yàn)殡姍C(jī)的定子采用疊片的結(jié)構(gòu)形式疊壓組裝[15]。

渦流損耗變化幅度根據(jù)電機(jī)故障種類會(huì)有明顯的不同，因?yàn)椴煌收蠋?lái)不同的電樞電流變化，從而引起諧波磁場(chǎng)增加，故產(chǎn)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(lái)電樞電流不對(duì)稱，造成的渦流損耗比正常運(yùn)行時(shí)多出將近一半，所以永磁同步電機(jī)匝間短路故障對(duì)渦流損耗有很大的影響，而且當(dāng)發(fā)生耦合故障時(shí)，這種影響將會(huì)更加明顯。

對(duì)于耦合故障來(lái)說(shuō)，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?yàn)樵验g短路產(chǎn)生較大的瞬態(tài)不平衡短路電流[16]，出現(xiàn)不對(duì)稱度較大的電流變化產(chǎn)生多余的損耗，產(chǎn)生額外溫升；同時(shí)磁鋼溫度變化明顯要高于定子溫度變化，這是因?yàn)榇配摬牧蠈?duì)溫度較為敏感，損耗增加直接導(dǎo)致溫度上升，威脅磁鋼勵(lì)磁性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合的方法，利用有限元分析軟件得到了故障電機(jī)在磁熱耦合場(chǎng)下的溫度分布結(jié)果。通過(guò)電磁場(chǎng)仿真得到了電磁場(chǎng)損耗曲線，以此作為熱源輸入，得出永磁同步電機(jī)不同故障下的溫度場(chǎng)分布圖，總結(jié)出正常工況不同故障類型的溫升規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著故障程度加重，電機(jī)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(chǎn)生失磁故障；對(duì)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。