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永磁同步電機由于效率高、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小等顯著優(yōu)點，被應(yīng)用在航天、航空、電動汽車等領(lǐng)域，因此永磁同步電機需要具有更高的安全性和可靠性。但在實際運行中，可能發(fā)生定子繞組匝間短路、永磁體失磁、轉(zhuǎn)子偏心等故障，其中匝間短路故障發(fā)生最為頻繁。

永磁同步電機由于環(huán)境潮濕、機械振動、瞬時過電壓等原因可能導(dǎo)致繞組絕緣破損，造成電機匝間短路故障的發(fā)生，進一步影響電機溫度場的分布。如不及時診斷故障，嚴(yán)重時將導(dǎo)致停機和人員傷亡，因此對永磁同步電機匝間短路故障溫度場的研究是十分必要的。

對于永磁同步電機匝間短路的研究，主要包括匝間短路故障的分析和診斷。例如，通過建立匝間短路故障的數(shù)學(xué)模型，提出了一種價值函數(shù)，分析其中的直流和2次諧波分量來診斷故障。在分析故障的三相等效電路時，如考慮飽和與空間諧波的影響，還能估計故障的嚴(yán)重度并對故障進行定位。為降低匝間短路故障對電機的影響，可以采用降低功率運行的方法減小短路故障電流，從而減小故障產(chǎn)生的熱應(yīng)力，增加電機的使用壽命。

在電機溫度場的研究中，由于永磁同步電機運行時，永磁體溫度過高會使其部分失磁，影響電機的電磁性能，因此永磁同步電機溫度場的精準(zhǔn)計算是十分重要的。在電機溫度場的計算方面，主要有兩種方法：

第一種方法為有限元法，通過建立有限元模型，計算出對應(yīng)部分的熱生成率，輸入到模型中仿真，可以得到電機的溫度分布。通常情況下對于散線的繞組，需要考慮浸漆和繞組間空氣隙的影響，建立等效繞組和等效絕緣來替代計算。

為減小計算的誤差，部分學(xué)者分析轉(zhuǎn)子部分和端部繞組損耗的影響。在電機運行時，溫度改變會影響材料的導(dǎo)熱性能，電磁場和溫度場具有耦合關(guān)系。為了準(zhǔn)確考慮耦合關(guān)系，建立了磁熱耦合的有限元模型，對磁場和溫度場結(jié)果進行迭代耦合計算。

但影響溫度場計算結(jié)果的因素有很多，其中冷卻方式是研究溫度場分布的關(guān)鍵，主要分為自然冷卻、風(fēng)冷、水冷、油冷。為了考慮風(fēng)扇對電機散熱的影響，將流體與有限元法相結(jié)合，修正了流體流動和溫度場變化的耦合方程，減小了計算量，提高了溫度場計算的精度。

第二種方法是建立集總參數(shù)熱路模型，忽略物體內(nèi)部的溫度變化，計算出相應(yīng)部件的熱容和熱阻，得到主要部件的平均溫度。通過建立集總參數(shù)熱路模型，能夠準(zhǔn)確預(yù)測出電機各個關(guān)鍵點的溫度，并且與實驗結(jié)果基本相同。

在故障溫度場的研究方面，有學(xué)者研究了感應(yīng)電機匝間短路故障的溫度場，在不同位置和不同程度故障時，分析感應(yīng)電機定子繞組和機殼部分溫度的變化規(guī)律。如果利用溫度傳感器對電機的繞組進行在線監(jiān)測，就可以準(zhǔn)確地診斷出匝間短路故障的位置。在研究故障溫度場時，不僅能夠分析匝間短路故障，還可以對感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂故障進行分析，提取故障特征量，進而研究故障產(chǎn)生的原因以及有效的診斷方法。

國內(nèi)外研究學(xué)者分別對永磁同步電機匝間短路故障的電磁場和診斷方法進行了詳細研究，但對故障溫度場的研究卻很少，而且不夠全面和深入。哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員以一臺永磁同步電機為例，利用有限元方法對永磁同步電機匝間短路故障溫度場進行研究，研究了負載情況下電機正常運行和匝間短路故障時的溫度場，分析故障前后電機溫度分布的變化規(guī)律以及局部過熱位置。

圖1 實驗裝置

在本研究中，科研人員考慮了永磁體渦流損耗、電機散熱翅處空氣流動和電機負載側(cè)與風(fēng)扇側(cè)氣隙端腔空氣溫度對電機溫度場的影響，把故障前后仿真的溫度場數(shù)據(jù)與實驗測量數(shù)據(jù)進行對比分析，得到的結(jié)果基本一致，誤差在允許的范圍之內(nèi)。由此可見，能夠通過仿真結(jié)果準(zhǔn)確地反映電機實際的溫度分布及故障前后溫度的變化情況。

另外，在永磁同步電機發(fā)生匝間短路故障時，電機故障槽繞組的局部溫度會瞬間升高，并且大于對側(cè)正常繞組的溫度。繞組溫度過高會導(dǎo)致絕緣加速老化，如果不及時處理將會發(fā)展為更為嚴(yán)重的相間短路故障，甚至損壞電機。

研究人員指出，由于風(fēng)扇散熱的影響，電機內(nèi)部負載側(cè)端腔和風(fēng)扇側(cè)端腔的空氣溫度不相等，負載側(cè)端腔的空氣溫度高于風(fēng)扇側(cè)，這會導(dǎo)致兩側(cè)的散熱效果不同。隨著匝間短路故障的發(fā)生，兩側(cè)端腔的空氣溫度也隨著電機整體溫度的升高而升高。

他們發(fā)現(xiàn)，正常運行時定轉(zhuǎn)子間氣隙的溫度高于轉(zhuǎn)子部分，在31匝匝間短路故障后，定轉(zhuǎn)子間氣隙和轉(zhuǎn)子的溫度隨著故障繞組溫度的升高而增大，并且在故障發(fā)生后，兩者的溫度差也逐漸變大。

研究人員最后表示，匝間短路故障會使得故障繞組溫度迅速升高，因此可以通過實時監(jiān)測電機關(guān)鍵元件的溫度，在故障的早期及時發(fā)現(xiàn)異常情況，為快速并準(zhǔn)確地診斷永磁同步電機匝間短路故障提供依據(jù)。

本文編自2022年第2期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“永磁同步電機匝間短路故障溫度場分析”，作者為謝穎、胡圣明 等。