[摘要] 目前用于電動汽車的電機類型主要有有刷直流電機、感應(yīng)電機、永磁電機等，永磁同步電機具有效率高，功率密度和轉(zhuǎn)矩密度大的優(yōu)點，是極具發(fā)展?jié)摿Φ碾姍C類型。但電機的工況惡劣、振動嚴重、工作環(huán)境溫度較高等原因使得電機很容易發(fā)生故障，其常見的故障有匝間短路、轉(zhuǎn)子偏心和永磁體退磁等。本文將簡要研究分析故障原因和機理，并建立起合適的故障工況下的有限元仿真模型，分析和提取其故障特征，并提出一些能應(yīng)用于電機早期故障診斷的判斷依據(jù)。

本文研究分析了三相永磁同步電機的繞組斷線故障、匝間短路故障、轉(zhuǎn)子偏心故障以及永磁體退磁故障。

1.前言

隨著近年來環(huán)境污染和能源短的日益突出，世界各國開始相繼重視這兩個問題，并提出對策。永磁同步電機作為一種高性能的交流電機，因其具有體積小，可靠性高，功率因數(shù)和功率密度高高，效率高等優(yōu)點。永磁同步電機的運行范圍很寬，可以在其額定功率數(shù)值25%-120%的范圍內(nèi)保持很高的運行效率，完全能夠適應(yīng)負載變化比較大的場合。因此，永磁同步電機的發(fā)展和推廣使用，將能夠極大滿足當今社會工業(yè)對高效電機的需求。

但與此同時，電機作為一個能夠?qū)崿F(xiàn)機電能量之間轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)是由定子，轉(zhuǎn)子，和軸承等電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)組成，其總體結(jié)構(gòu)較為簡單。但電機工作時，具有復(fù)雜的機電能量轉(zhuǎn)換過程，在長期運行中，受供電情況、負載工況和運行環(huán)境的影響，某些部件會逐漸失效，損壞。電機的工作原理都是基于電磁理論，主要由電路（繞組）和磁路（鐵芯）兩大部分組成，其主要故障類型有繞組斷線、繞組過熱、匝間短路、絕緣老化、鐵芯變形及電機轉(zhuǎn)子偏心等，永磁同步電機因其轉(zhuǎn)子上還裝設(shè)有永磁體，還可能發(fā)生永磁體的不可逆退磁故障，總體來說，電機故障種類繁多，原因復(fù)雜。電機集電氣與機械部件于一體，加之處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)中，故障征兆呈多樣性，既有電氣故障特性，又有機械故障特性；既有電氣量(電壓、頻率、電流、功率等)，也有非電氣量(熱、聲、光、氣、輻射、振動等)。

本文主要對一臺功率為11kW面貼式三相永磁同步電機進行分析，分別仿真分析其發(fā)生定子繞組斷線故障、定子繞組匝間短路故障、電機轉(zhuǎn)子靜偏心與動偏心，以及永磁體的不可逆退磁故障。通過對故障工況有限元分析結(jié)果的后處理，總結(jié)出了故障特征信息和相關(guān)的故障程度評價指標，為提出如何實現(xiàn)永磁同步電機的可靠運行、建立電機的實時故障診斷系統(tǒng)等方面的內(nèi)容提供了一定的依據(jù)。

2.電機的有限元分析模型

將RMxprt模塊中建立的電機模型導(dǎo)入Maxwell2D中進行有限元仿真計算。電機的主要參數(shù)如表1所示：

2.1空載特性分析

首先，有限元分析了該電機模型的空載特性，包括求解空載反電動勢，反電動勢的諧波含量，氣隙磁場中的徑向磁密分布。永磁同步電機空載時，由于電樞電流很小，電機內(nèi)僅有永磁體所建立的永磁磁場(主磁場和漏磁場)。空載反電動勢是永磁同步電機的一個非常重要的參數(shù)，E0的大小對電機的動、穩(wěn)態(tài)性能都有很大的影響，合理地設(shè)計電機的E0可以降低空載電流，提高功率因數(shù)和效率，降低電機溫升。經(jīng)分析，本次設(shè)計的永磁同步電機空載反電勢的幅值與外加電壓U的幅值的比值在0.95左右，證明該電機的設(shè)計是成功的，具有良好的空載特性。

2.2負載特性分析

進一步，對永磁同步電機額定負載下的穩(wěn)態(tài)特性進行了仿真，求取了其輸出轉(zhuǎn)矩的波形以及定子繞組銅損、鐵芯損耗（包括鐵芯磁滯損耗與渦流損耗）；另外求解分析了電機從半載到滿載的動態(tài)過程，證明了電機具有較好的帶載能力和動態(tài)性能。為接下來進一步的仿真分析建立了基礎(chǔ)。

3.電機故障診斷與分析

3.1繞組故障分析

仿真中定子繞組采用外電路模型導(dǎo)入的方式賦予激勵，外電路模型中三相對稱電源為Y型接法，定子三相繞組為三角接法。并在C相繞組的回路中串入一個壓控式開關(guān)S_C，該開關(guān)在0.25s前處于閉合，0.25s后斷開，從而模擬C相繞組斷路故障的發(fā)生。

從結(jié)果來看，當定子繞組C相斷線后，AB相繞組的相電流迅速增加，電機銅損增加，電機的輸出轉(zhuǎn)矩下降，帶載能力降低。故障發(fā)生后，A相相電流與線電流相等，C相相電流為零，但其線電流相位與B相相電流相差180度，幅值相等。因此，這一依據(jù)可以作為對定子某一相繞組斷線的故障特征，從而應(yīng)用于相關(guān)的故障診斷系統(tǒng)中。

三相交流電機在運行過程中，其主要組成部分——定子在熱、電、機械、環(huán)境應(yīng)力等共同作用下，經(jīng)常發(fā)生匝間短路故障，其發(fā)生率高達30%～40%。

定子繞組的激勵仍然采用外電路導(dǎo)入的形式，通過對外電路的設(shè)置模擬電機的匝間短路故障。將電機某一極下兩個槽中的繞組全部短路，即將A相繞組在0.25s時刻(共12個槽)短路全部匝數(shù)1/6，如此設(shè)置是為了建模比較方便，無需對故障繞組的幾何模型進行重新修改。

電機正常時，電機的各個線圈之間有良好的絕緣，當電機發(fā)生匝間短路故障時，絕緣層被破壞，出現(xiàn)短路電流。因此短路電阻Rf的值越小，代表故障的程度更加嚴重。

結(jié)果表明，在故障初期，也就是短路電阻較大時，短路電流if較小，故障現(xiàn)象不明顯，短路處的發(fā)熱不大。隨著故障的發(fā)展，短路電阻迅速減小，短路電流增大，短路處的發(fā)熱量增大，使得絕緣迅速失效，故障進一步加劇，最終導(dǎo)致繞組完全短路，燒損。因此，短路電流應(yīng)是評價電機故障程度的一個重要指標。同時，通過對輸出轉(zhuǎn)矩的分析，匝間短路故障導(dǎo)致了轉(zhuǎn)矩波動的增加，這表明了氣隙磁場發(fā)生了畸變。

if產(chǎn)生了一個脈振磁場，它會引起氣隙磁場的畸變，產(chǎn)生不同于正常運行時的電磁力波，進而導(dǎo)致電機的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化。這不但會影響電機的機械性能，還會增大電機定轉(zhuǎn)子徑向振動，發(fā)出異常的機械噪聲。而振動的增大又會導(dǎo)致定子繞組匝間短路故障的進一步惡化，同時短路電流還可以形成去磁磁動勢，使電機永磁體發(fā)生不可逆失磁。因此，對于永磁同步電機定子繞組匝間短路故障的早期診斷，是非常有必要的。

3.2轉(zhuǎn)子偏心故障分析

轉(zhuǎn)子偏心故障可分為靜態(tài)偏心故障、動態(tài)偏心故障二種類型。產(chǎn)生靜態(tài)偏心的主要原因是即定轉(zhuǎn)子不同軸心，造成動態(tài)偏心的原因是轉(zhuǎn)軸彎曲或軸承損壞等。靜偏心故障是電機普遍存在的故障，靜偏心相當于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心從定子中心向某個方向偏移，使轉(zhuǎn)子在此方向相對于定子偏心，定、轉(zhuǎn)子間氣隙發(fā)生變化，這種氣隙偏心固定在某一位置，它不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變位置。動偏心故障也屬于電機常見的故障類型，動偏心相當于轉(zhuǎn)子中心從定子中心向某個方向偏移，但轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心沒有偏移，這種氣隙偏心隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。

當電機發(fā)生偏心故障時，會影響到氣隙磁場，所以對氣隙磁場加以監(jiān)測，將是電機故障檢測的一個可行的方法。如在氣隙中安放探測線圈，通過線圈中的感應(yīng)電動勢就可以知道氣隙磁場的變化情況。

文獻[1]提出一種在電機電樞繞組槽內(nèi)設(shè)置三組探測線圈（三組探測線圈在空間位置互差120度）的方式來檢測電機偏心故障的發(fā)生。

這樣做可以減小故障診斷系統(tǒng)的成本，減少相應(yīng)的電壓傳感器數(shù)量。該方法的檢測原理為：當電機旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)的氣隙磁場會在三104個探測線圈中產(chǎn)生電壓，通過檢測各個線圈電壓的幅值和波形，可以得知氣隙磁場的變化，進而達到檢測電機故障的目的。這種線圈能免受高頻諧波的干擾，故障特征明顯，因此非常適合由逆變器供電的電機系統(tǒng)，另外，這種方法不需要知道電機的參數(shù)。由于探測線圈直接檢測電機的氣隙磁場，該方法的診斷結(jié)果準確可靠。

當電機發(fā)生靜偏心故障時，電機的對稱結(jié)構(gòu)遭到破壞，各個探測線圈下的氣隙長度將變得各不相同，各個探測線圈下的氣隙磁通也將發(fā)生變化?？拷鼩庀堕L度減少的一側(cè)的探測線圈氣隙磁通將增大，而靠近氣隙長度增大的一側(cè)的探測線圈氣隙磁通將減小。這必然導(dǎo)致各探測線圈中的感應(yīng)電壓幅值的不同，可以根據(jù)各線圈電壓幅值的大小，判斷電機是否發(fā)生靜偏心故障。

而當電機發(fā)生動偏心故障時，定、轉(zhuǎn)子間氣隙不再呈均勻分部，而在空間中隨轉(zhuǎn)子位置旋轉(zhuǎn)而周期性的變化。如果忽略高次諧波，則電機各探測線圈下的磁導(dǎo)率是轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)，如式（1）所示。

3.3失磁故障分析

永磁材料具有失磁特性，當嵌入電機內(nèi)作為勵磁磁極后，受電機運行時溫度、電樞反應(yīng)、機械振動以及其它因素的綜合影響，永磁體發(fā)生不可逆失磁的風(fēng)險增加，導(dǎo)致電機的性能下降甚至使電機停轉(zhuǎn)。而永磁體發(fā)生不可逆失磁故障的原因大部分可以歸結(jié)為兩個因素：電樞反應(yīng)沖擊電流產(chǎn)生的去磁磁勢和運行溫度的升高。永磁同步電機在設(shè)計時，通常會把空載反電動勢E0設(shè)置在一個合理的范圍，以便節(jié)省永磁材料、提高功率因素和電機效率。

電機制成后，也可以通過調(diào)節(jié)供電電壓來調(diào)節(jié)無功功率和功率因素。而當電機負載轉(zhuǎn)矩不變即輸出功率不變時，不計輸入電壓和空載反電動勢E0變化引起的定子鐵耗和附加損耗的變化，則電磁功率也不變。當供電電壓不變時，為保證電磁功率不變，永磁體發(fā)生失磁故障后，E0將會減小，隨之而來的就是功角和電樞電流的增大，實際上，隨著電機不可逆失磁的產(chǎn)生，電機的鐵損和銅損都會增加，電機效率會明顯下降。

永磁體發(fā)生失磁有可能是局部的，也有可能是均勻的。為了模擬電機發(fā)生失磁故障狀態(tài)，將電機的每一個瓦片形磁極任意分為A、B、C、D、E共5塊大小不等的小磁極，將不同磁感應(yīng)強度大小的永磁材料分配給每一塊小區(qū)域，用以模擬失磁故障的發(fā)生。

通過表3可以分析電機失磁后的感應(yīng)電動勢幅值、頻譜以及其它參數(shù)的變化。從正常和故障情況下電機的空載特性對比來看，當電機空載運行時，不可逆失磁發(fā)生的位置及失磁程度不相同時，空載反電動勢的幅值E0在失磁故障狀態(tài)下都是減少的，同時進一步分析得到隨著故障程度的增加，反電勢的正弦總諧波畸變率THD有所增加。但因磁極仍然對稱，且采用分布短矩繞組，電勢波形仍然保持較好的正弦性。對于額定負載狀態(tài)下失磁故障對電機參數(shù)性能的影響，通過有限元結(jié)果可以看出，電機產(chǎn)生不可逆退磁后，除電機的空載反電動勢E0減小外，其它參數(shù)包括定子電流、電機損耗以及功角都增加，電機的效率和穩(wěn)定性都有所下降。

3.結(jié)語

本文分析了永磁同步電機的各類常見故障的工況的發(fā)生，為永磁同步電機的早期和實時故障診斷提供了一定的理論依據(jù)和思路。可惜的是目前尚缺少相關(guān)的實驗驗證，可以進一步研究電機的故障診斷技術(shù)。

作者：[李紹武，汪文文]

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