第一章 緒論

1.1 研究背景及意義
我國是“稀土王國”，稀土資源豐富，上個世紀(jì)九十年代以來，由于永磁材料在國內(nèi)的飛速發(fā)展，使永磁材料的產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高、成本價格不斷降低[1]-[2],這極大的促進(jìn)了永磁電機(jī)的發(fā)展。永磁電機(jī)與傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)相比，不同之處在于，永磁電機(jī)利用永磁材料產(chǎn)生磁場，替代傳統(tǒng)電機(jī)由電流勵磁產(chǎn)生的磁場，因而轉(zhuǎn)子沒有銅損，在穩(wěn)態(tài)運行時效率比同規(guī)格的異步電機(jī)要高 2%~8%，尤其在長時間運行和多數(shù)工況為輕載運行的場合，節(jié)能效率可達(dá)15%~20%[3]。此外，永磁電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、重量輕，電動機(jī)的外型和尺寸可以靈活多變等顯著特點[2]。因而，永磁電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，幾乎遍及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域[1],[4]。近年來，隨著永磁材料性能的提高、加工工藝的完善以及現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，永磁電機(jī)正逐漸邁向更高水平的發(fā)展。例如，醫(yī)療設(shè)備、航空航天、航海、國防等各個領(lǐng)域均顯示出了強(qiáng)大的生命力。低碳經(jīng)濟(jì)的到來也為永磁電機(jī)帶來增長契機(jī)。例如，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是可再生能源的主要發(fā)展方向之一。超高效永磁電動機(jī)和調(diào)速高效永磁電動機(jī)在節(jié)能減排方面發(fā)揮重大作用。電動車用永磁電機(jī)和軌道交通用永磁電動機(jī)在替代能源方面成為行業(yè)發(fā)展的另一焦點。交流永磁伺服電動機(jī)和特種永磁電機(jī)在信息化的進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。隨著需求結(jié)構(gòu)的調(diào)整，用于節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的永磁電機(jī)將會出現(xiàn)大幅增長。永磁電機(jī)的廣泛應(yīng)用和高水平發(fā)展，使得人們對電機(jī)的安全可靠運行要求越來越高[5]。

永磁電機(jī)最大的安全隱患是永磁磁場波動和永磁體失磁問題[6]-[7]。電機(jī)發(fā)生失磁故障后，勵磁電動勢降低，輸出轉(zhuǎn)矩下降，使電機(jī)不能正常工作，甚至?xí)䶮龤щ姍C(jī)，這嚴(yán)重制約了永磁電機(jī)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用[4],[7],[8]，因而退磁問題一直是人們關(guān)注的焦點[9]。永磁體失磁的原因有很多，如退磁磁場退磁、高溫退磁、振動退磁、化學(xué)退磁和時效退磁等[10]-[13]，高溫和退磁磁場是主要原因，包括逆變器和定子故障產(chǎn)生的短路電流和過負(fù)荷電流[14]。永磁電機(jī)定子故障主要是匝間短路故障，調(diào)查表明，80%的定子故障是由匝間短路引起的[15]，當(dāng)發(fā)生匝間短路時，短路線圈會產(chǎn)生和其他線圈相反的磁動勢。因此，短路線圈產(chǎn)生的磁場方向和氣隙合成磁場方向相反，誘發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁[4]。如不及早消除匝間短路故障，短路線圈過高的短路環(huán)流會產(chǎn)生高溫?fù)p壞絕緣，發(fā)展為更嚴(yán)重的單相接地短路和相間短路故障[16]-[18]。永磁電機(jī)匝間短路故障原因很多，成因非常復(fù)雜，但一般可以簡單歸結(jié)為 4 點[19]：在電機(jī)啟動過程中匝間絕緣承受的暫態(tài)過電壓；電機(jī)定子繞組溫度過高；電機(jī)定子繞組線圈因振動導(dǎo)致匝間絕緣相互摩擦、破損；電機(jī)在潮濕高溫等惡劣環(huán)境下長期運行等。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

各故障類型所占百分比和定子故障原因所占百分比分別如下圖 1-2 和 1-3 所示，永磁同步電機(jī)大部分故障都是軸承故障（占 50%），故障原因是由于過載、缺少潤滑、安裝不良和異物進(jìn)入等原因造成的軸承磨損、表面削落、點蝕和內(nèi)外圈破裂等。其次是定子故障（占 37%），故障原因是由于絕緣損壞（占 40%）、運行溫度過高（占 35%）、機(jī)械損壞（占 15%）和電氣故障（10%）[25]。永磁同步電機(jī)定子故障分為，匝間短路、相間短路和接地短路[24]，其中匝間短路故障最為常見，匝間短路故障會導(dǎo)致電機(jī)運行不平衡，且很有可能引發(fā)更嚴(yán)重的相間短路和接地短路故障。轉(zhuǎn)子故障主要為永磁體失磁和永磁體斷裂故障。電機(jī)運行溫度過高、發(fā)生短路故障或者過載運行等引起的去磁電流，及電機(jī)振動都會導(dǎo)致永磁體發(fā)生不可逆失磁。

國內(nèi)學(xué)者張文敏等人，利用有限元法建立的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，計算了短路故障狀態(tài)下暫態(tài)電流、端電壓以及電磁轉(zhuǎn)矩，并分析了電流和轉(zhuǎn)矩隨時間變化的規(guī)律，最后將仿真波形與實驗波形對比，證明了該數(shù)學(xué)模型和計算方法的正確性，為深入研究永磁同步電機(jī)匝間短路故障對永磁體以及電機(jī)軸的影響奠定了理論基礎(chǔ)[26]。杜博超使用有限元軟件Ansoft Maxwell 14.0，結(jié)合外電路編輯器設(shè)置的定子繞組，在繞組短路回路串接一個短路電阻，通過設(shè)置短路電阻的大小來模擬故障的嚴(yán)重程度[19]。國外學(xué)者B. Vaseghi等，提出了一種基于動態(tài)電路的表貼式永磁同步電機(jī)匝間短路故障模型，并用有限元分析方法對模型進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明模型能很好地適應(yīng)于不同程度匝間短路故障[27]。Kyung-Tae Kim等建立了一種新的永磁電機(jī)匝間短路故障模型，相比于傳統(tǒng)模型該模型的不同之處在于考慮了故障繞組短路阻抗受電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響，，分析了永磁電機(jī)匝間短路故障磁密分布和轉(zhuǎn)矩波形特征，及短路線圈的短路環(huán)流產(chǎn)生的去磁磁場，并用實驗對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證，其結(jié)論可以作為永磁電機(jī)匝間短路故障診斷的依據(jù)[28]，但文獻(xiàn)缺少對電機(jī)在不同負(fù)載下，電機(jī)發(fā)生相帶第一匝短路故障的研究，也沒有深入分析匝間短路故障線圈的位置和永磁體失磁區(qū)域的分布之間的關(guān)系。

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第二章 永磁材料和永磁同步電機(jī)

2.1 引言

本章介紹了永磁材料最大磁能面積、回復(fù)線磁導(dǎo)率、退磁曲線、磁滯回線、剩磁密度、矯頑力和退磁曲線的拐點等主要性能參數(shù)。簡述了永磁體的退磁原因和退磁原理，闡述了永磁體的布置方式、充磁方式、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和表貼式永磁同步電機(jī)的特點，給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速、感應(yīng)電動勢方程和轉(zhuǎn)矩方程，并畫出了電機(jī)相量圖。

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2.2 永磁材料
一整塊永磁體的優(yōu)點是便于安裝，但不足之處在于，永磁體的加工和充磁都比較困難，用一塊或一段永磁體組成磁極難度較大不經(jīng)濟(jì)，不適于實現(xiàn)寬速域弱磁。相反，分段永磁體可以組合成任意形狀，加工和充磁方便，有助于提高弱磁能力比較經(jīng)濟(jì)。永磁體在一塊永磁體的上方疊放另一塊等寬或者不等寬的永磁體的目的，是為了得到需要的氣隙磁場分布。單段適用于小電機(jī)，多段和堆疊的結(jié)構(gòu)適用于大功率電機(jī)。實際應(yīng)用中，前面兩種較為常見。此外，永磁體的形狀也是多種多樣，比如矩形、瓦片形和弓形，如圖2-7所示[70]。瓦片形和弓形適用于表貼式永磁同步電機(jī)。對于瓦片形永磁體，若永磁體完全暴露在轉(zhuǎn)子表明，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子表面的氣隙均勻，從而氣隙磁密處處相同。瓦片形永磁體的兩個側(cè)邊即可以沿徑向，也可以相互平行，分別稱為徑向瓦片形永磁體和平行瓦片形永磁體[70]，如圖2-8所示[70]。
如圖2-12（a）所示[70]，永磁體裝在轉(zhuǎn)子鐵芯外圓表面。這種方式可以提供最大的氣隙磁密，因為永磁體產(chǎn)生的磁通不經(jīng)任何介質(zhì)（如轉(zhuǎn)子鐵芯）而直接進(jìn)入氣隙。其缺點是結(jié)構(gòu)的整體性和魯棒性較差，因為永磁體沿徑向方向沒有得到固定。實際上，常常將永磁體嵌入一定的深度，并用凱夫拉爾纖維捆綁在轉(zhuǎn)子上，以增強(qiáng)永磁體和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)稱為表貼式永磁同步電機(jī)。這類電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般較低，通常在3000r/min以下，但當(dāng)轉(zhuǎn)子直徑較小時可以達(dá)到5000r/min。從結(jié)構(gòu)上可以看出，這類電機(jī)直、交軸磁阻的差異很小。相應(yīng)的，其直、交軸電感的差異也很�。ㄐ∮�10%），可近似地認(rèn)為相等[69]。

永磁同步電機(jī)匝間短路故障模型的建立是非常關(guān)鍵的一步，模型的準(zhǔn)確與否直接影響研究結(jié)論。目前國內(nèi)外學(xué)者針對永磁電機(jī)匝短路故障的建模，都是將正常繞組短路一定比例進(jìn)行建模，然而，現(xiàn)場運行實踐證明，匝間短路最有可能發(fā)生在電機(jī)相帶第一匝繞組的端部，故前人對電機(jī)匝間短路故障的設(shè)定和實際情況有所差異，也沒有考慮匝間短路繞組的位置和空間分布的影響。因此，本章針對永磁同步電機(jī)相帶第一匝短路模型的建立，首先介紹了電機(jī)分?jǐn)?shù)槽繞組排列與接線，并以本文采用的表貼式永磁同步電機(jī)為例進(jìn)行了說明。然后，利用 Ansoft Maxwell14.0 有限元軟件建立了永磁同步電機(jī)本體模型。最后，將 Ansoft 電路編輯器設(shè)計好的相帶第一匝短路故障外電路模型導(dǎo)入到電機(jī)本體模型的繞組結(jié)構(gòu)中。

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第三章 永磁同步電機(jī)匝間短路故障模型......................... 24
3.1 引言.................................................... 24
3.2 分?jǐn)?shù)槽繞組排列與接線 .................................. 24
第四章 永磁同步電機(jī)匝間短路特征量分析....................... 31
4.1 引言.................................................... 31
4.2 不同負(fù)載短路特征量分析................................. 31
第五章 永磁同步電機(jī)匝間短路失磁分析........................ 39
5.1 引言................................................... 39

5.2 不同負(fù)載匝間短路失磁分析................................ 39

第六章 失磁電機(jī)運行特征量分析

6.1 引言
為了在永磁體發(fā)生失磁故障的早期發(fā)現(xiàn)并消除故障，找到電機(jī)的失磁故障特征是關(guān)鍵。目前研究者們將失磁故障電機(jī)的運行參數(shù)和正常電機(jī)的運行參數(shù)進(jìn)行了對比分析，設(shè)定了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體不同失磁程度下的失磁模型，對比了電機(jī)正常和失磁故障情況下反電勢波形以及諧波變化，其結(jié)論較好地反應(yīng)了電機(jī)發(fā)生不同失磁程度下失磁故障特征，其不足之處在于，失磁模型不是依據(jù)電機(jī)發(fā)生相帶第一匝短路建立的，也缺少對失磁電機(jī)運行特征量隨電機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化規(guī)律的分析。

由第五章永磁體失磁區(qū)域的分布可知，永磁電機(jī)不同負(fù)載和轉(zhuǎn)速下發(fā)生相帶第一匝短路故障永磁體失磁程度不一樣，故可建立多種永磁體失磁模型，本章重點對永磁電機(jī)額定負(fù)載和轉(zhuǎn)速下永磁體發(fā)生的失磁故障進(jìn)行建模分析。首先，建立了永磁體的失磁模型。然后，研究了失磁電機(jī)消除相帶第一匝短路故障后，在低于額定負(fù)載、額定負(fù)載和高于額定負(fù)載情況下電流波形與轉(zhuǎn)矩波形，并利用快速傅立葉變換（FFT）法研究了波形各次諧波含量隨電機(jī)負(fù)載變化的規(guī)律。最后，研究了失磁電機(jī)消除相帶第一匝短路故障后，在低于額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速和高于額定轉(zhuǎn)速情況下電流波形與轉(zhuǎn)矩波形，并利用傅立葉分析（FFT）法研究了波形各次諧波含量隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。

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第七章 總結(jié)與展望

7.1 全文總結(jié)
永磁電機(jī)退磁問題一直是人們關(guān)注的焦點，匝間短路故障是造成永磁體失磁的原因之一，目前國內(nèi)外學(xué)者針對永磁電機(jī)匝間短路故障的研究，大多是將正常繞組短路一定比例進(jìn)行建模分析，然而，現(xiàn)場運行實踐證明，匝間短路最有可能發(fā)生在電機(jī)相帶第一匝繞組的端部。本文針對永磁同步電機(jī)相帶第一短路故障，首先，利用 Ansoft Maxwell 14.0 有限元軟件結(jié)合 Ansoft電路編輯器，建立了永磁同步電機(jī)相帶第一匝短路故障模型。然后，研究了永磁同步電機(jī)不同負(fù)載和不同轉(zhuǎn)速下發(fā)生相帶第一匝短路故障,短路線圈電流波形、去磁磁場、失磁區(qū)域分布、磁密云圖分布、轉(zhuǎn)矩波形和永磁體上 A 點磁密波形。最后，對失磁電機(jī)消除相帶第一匝短路故障后，在不同負(fù)載與轉(zhuǎn)速下運行特征量進(jìn)行了研究，主要結(jié)論有：

正常電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動幅度隨著電機(jī)負(fù)載的增大而增加，轉(zhuǎn)矩波動率隨著電機(jī)負(fù)載的增大而減��；失磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動幅度和波動率均大于正常電機(jī)，其中波動幅度隨著電機(jī)負(fù)載的增大而增加，而波動率卻隨著電機(jī)負(fù)載的增大而減小。失磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了新的整數(shù)次諧波，且各次諧波含量隨著失磁電機(jī)負(fù)載的變化仍保持較大值；正常電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動幅度和轉(zhuǎn)矩波動率均隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大，失磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動幅度和波動率均大于正常電機(jī)，并隨著轉(zhuǎn)速的增大轉(zhuǎn)矩波動幅度和波動率均增大，失磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩基波幅值小于正常電機(jī)，且各諧波含量隨著失磁電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大仍保持較大值。故可以通過檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形及其各次諧波含量作為判定轉(zhuǎn)子永磁體是否發(fā)生了不可逆失磁的依據(jù)。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：196232