匝间短路故障对永磁同步电机各部件温度有何影响？哈理工学者发表研究成果

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

阅读提示：本文约  2100 字

匝间短路是一种常见的电机绕组故障，会导致定子绕组电流增大、电机局部过热，长期在这种环境下运行，温度升高使得电机性能下降，造成经济损失。哈尔滨理工大学电气与电子工程学院的研究人员谢颖、胡圣明、陈鹏、马泽新，在2022年第2期《电工技术学报》上撰文，以一台3kW永磁同步电机为例，研究了匝间短路故障对永磁同步电机各部件温度的影响，研究成果可为诊断和预防匝间短路故障提供依据。

永磁同步电机由于效率高、结构简单、噪声小等显著优点，被应用在航天、航空、电动汽车等领域，因此永磁同步电机需要具有更高的安全性和可靠性。但在实际运行中，可能发生定子绕组匝间短路、永磁体失磁、转子偏心等故障，其中匝间短路故障发生最为频繁。

永磁同步电机由于环境潮湿、机械振动、瞬时过电压等原因可能导致绕组绝缘破损，造成电机匝间短路故障的发生，进一步影响电机温度场的分布。如不及时诊断故障，严重时将导致停机和人员伤亡，因此对永磁同步电机匝间短路故障温度场的研究是十分必要的。

对于永磁同步电机匝间短路的研究，主要包括匝间短路故障的分析和诊断。例如，通过建立匝间短路故障的数学模型，提出了一种价值函数，分析其中的直流和2次谐波分量来诊断故障。在分析故障的三相等效电路时，如考虑饱和与空间谐波的影响，还能估计故障的严重度并对故障进行定位。为降低匝间短路故障对电机的影响，可以采用降低功率运行的方法减小短路故障电流，从而减小故障产生的热应力，增加电机的使用寿命。

在电机温度场的研究中，由于永磁同步电机运行时，永磁体温度过高会使其部分失磁，影响电机的电磁性能，因此永磁同步电机温度场的精准计算是十分重要的。在电机温度场的计算方面，主要有两种方法：

第一种方法为有限元法，通过建立有限元模型，计算出对应部分的热生成率，输入到模型中仿真，可以得到电机的温度分布。通常情况下对于散线的绕组，需要考虑浸漆和绕组间空气隙的影响，建立等效绕组和等效绝缘来替代计算。

为减小计算的误差，部分学者分析转子部分和端部绕组损耗的影响。在电机运行时，温度改变会影响材料的导热性能，电磁场和温度场具有耦合关系。为了准确考虑耦合关系，建立了磁热耦合的有限元模型，对磁场和温度场结果进行迭代耦合计算。

但影响温度场计算结果的因素有很多，其中冷却方式是研究温度场分布的关键，主要分为自然冷却、风冷、水冷、油冷。为了考虑风扇对电机散热的影响，将流体与有限元法相结合，修正了流体流动和温度场变化的耦合方程，减小了计算量，提高了温度场计算的精度。

第二种方法是建立集总参数热路模型，忽略物体内部的温度变化，计算出相应部件的热容和热阻，得到主要部件的平均温度。通过建立集总参数热路模型，能够准确预测出电机各个关键点的温度，并且与实验结果基本相同。

在故障温度场的研究方面，有学者研究了感应电机匝间短路故障温度场，在不同位置和不同程度故障时，分析感应电机定子绕组和机壳部分温度的变化规律。如果利用温度传感器对电机的绕组进行在线监测，就可以准确地诊断出匝间短路故障的位置。在研究故障温度场时，不仅能够分析匝间短路故障，还可以对感应电机转子导条断裂故障进行分析，提取故障特征量，进而研究故障产生的原因以及有效的诊断方法。

国内外研究学者分别对永磁同步电机匝间短路故障的电磁场和诊断方法进行了详细研究，但对故障温度场的研究却很少，而且不够全面和深入。哈尔滨理工大学电气与电子工程学院的研究人员以一台永磁同步电机为例，利用有限元方法对永磁同步电机匝间短路故障温度场进行研究，研究了负载情况下电机正常运行和匝间短路故障时的温度场，分析故障前后电机温度分布的变化规律以及局部过热位置。

图1 实验装置

在本研究中，科研人员考虑了永磁体涡流损耗、电机散热翅处空气流动和电机负载侧与风扇侧气隙端腔空气温度对电机温度场的影响，把故障前后仿真的温度场数据与实验测量数据进行对比分析，得到的结果基本一致，误差在允许的范围之内。由此可见，能够通过仿真结果准确地反映电机实际的温度分布及故障前后温度的变化情况。

另外，在永磁同步电机发生匝间短路故障时，电机故障槽绕组的局部温度会瞬间升高，并且大于对侧正常绕组的温度。绕组温度过高会导致绝缘加速老化，如果不及时处理将会发展为更为严重的相间短路故障，甚至损坏电机。

研究人员指出，由于风扇散热的影响，电机内部负载侧端腔和风扇侧端腔空气温度不相等，负载侧端腔的空气温度高于风扇侧，这会导致两侧的散热效果不同。随着匝间短路故障的发生，两侧端腔的空气温度也随着电机整体温度的升高而升高。

他们发现，正常运行时定转子间气隙的温度高于转子部分，在31匝匝间短路故障后，定转子间气隙和转子的温度随着故障绕组温度的升高而增大，并且在故障发生后，两者的温度差也逐渐变大。

研究人员最后表示，匝间短路故障会使得故障绕组温度迅速升高，因此可以通过实时监测电机关键元件的温度，在故障的早期及时发现异常情况，为快速并准确地诊断永磁同步电机匝间短路故障提供依据。

本文编自2022年第2期《电工技术学报》，论文标题为“永磁同步电机匝间短路故障温度场分析”，作者为谢颖、胡圣明 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

推荐阅读

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

新浪微博

抖音号

联系我们

《电工技术学报》：010-63256949/6981

邮箱：[e-mail]

---

《电气技术》：010-63256943

邮箱：[e-mail]

---

编务：010-63256994；订阅：010-63256817

广告合作：010-63256867/6838