三相永磁同步电机故障诊断与分析

1 前言

    随着近年来环境污染和能源短的日益突出，世界各国开始相继重视这两个问题，并提出对策。永磁同步电机作为一种高性能的交流电机，因其具有体积小，可靠性高，功率因数和功率密度高高，效率高等优点。永磁同步电机的运行范围很宽，可以在其额定功率数值25%-120%的范围内保持很高的运行效率，完全能够适应负载变化比较大的场合。因此，永磁同步电机的发展和推广使用，将能够极大满足当今社会工业对高效电机的需求。但与此同时，电机作为一个能够实现机电能量之间转换的系统，它的结构是由定子，转子，和轴承等电气系统和机械系统组成，其总体结构较为简单。但电机工作时，具有复杂的机电能量转换过程，在长期运行中，受供电情况、负载工况和运行环境的影响，某些部件会逐渐失效，损坏。电机的工作原理都是基于电磁理论，主要由电路（绕组）和磁路（铁芯）两大部分组成，其主要故障类型有绕组断线、绕组过热、匝间短路、绝缘老化、铁芯变形及电机转子偏心等，永磁同步电机因其转子上还装设有永磁体，还可能发生永磁体的不可逆退磁故障，总体来说，电机故障种类繁多，原因复杂。电机集电气与机械部件于一体，加之处于高速运转状态中，故障征兆呈多样性，既有电气故障特性，又有机械故障特性；既有电气量（电压、频率、电流、功率等），也有非电气量（热、声、光、气、辐射、振动等)。

    本文主要对一台功率为llkW面贴式三相永磁同步电机进行分析，分别仿真分析其发生定子绕组断线故障、定子绕组匝间短路故障、电机转子静偏心与动偏心，以及永磁体的不可逆退磁故障。通过对故障工况有限元分析结果的后处理，总结出了故障特征信息和相关的故障程度评价指标，为提出如何实现永磁同步电机的可靠运行、建立电机的实时故障诊断系统等方面的内容提供了一定的依据。

2 电机的有限元分析模型

    将RMxprt模块中建立的电机模型导入Maxwell 2D中进行有限元仿真计算。电机的主要参数如表1所示：

表1 电机参数

图1 电机剖分后的模型

    2.1 空载特性分析

    首先，有限元分析了该电机模型的空载特性，包括求解空载反电动势，反电动势的谐波含量，气隙磁场中的径向磁密分布。永磁同步电机空载时，由于电枢电流很小，电机内仅有永磁体所建立的永磁磁场（主磁场和漏磁场)。空载反电动势是永磁同步电机的一个非常重要的参数，E0的大小对电机的动、稳态性能都有很大的影响，合理地设计电机的E0可以降低空载电流，提高功率因数和效率，降低电机温升。经分析，本次设计的永磁同步电机空载反电势的幅值与外加电压U的幅值的比值在0.95左右，证明该电机的设计是成功的，具有良好的空载特性。

图2 电机空载反电动势波形

图3 空载气隙磁密分布及其谐波含量

    2.2 负载特性分析

    进一步，对永磁同步电机额定负载下的稳态特性进行了仿真，求取了其输出转矩的波形以及定子绕组铜损、铁芯损耗（包括铁芯磁滞损耗与涡流损耗）；另外求解分析了电机从半载到满载的动态过程，证明了电机具有较好的带载能力和动态性能。为接下来进一步的仿真分析建立了基础。

图4 额定转矩波形

图5 额定电流波形

图6 突加负载转矩波形

3 电机故障诊断与分析

    3.1 绕组故障分析

    仿真中定子绕组采用外电路模型导入的方式赋予激励，外电路模型中三相对称电源为Y型接法，定子三相绕组为三角接法。并在C相绕组的回路中串入一个压控式开关SC，该开关在0.25s前处于闭合，0.25s后断开，从而模拟C相绕组断路故障的发生。

图7 绕组断线故障分析

    从结果来看，当定子绕组C相断线后，AB相绕组的相电流迅速增加，电机铜损增加，电机的输出转矩下降，带载能力降低。故障发生后，A相相电流与线电流相等，C相相电流为零，但其线电流相位与B相相电流相差180度，幅值相等。因此，这一依据可以作为对定子某一相绕组断线的故障特征，从而应用于相关的故障诊断系统中。

    三相交流电机在运行过程中，其主要组成部分一一定子在热、电、机械、环境应力等共同作用下，经常发生匝间短路故障，其发生率高达30%～40%。

    定子绕组的激励仍然采用外电路导入的形式，通过对外电路的设置模拟电机的匝间短路故障。将电机某一极下两个槽中的绕组全部短路，即将A相绕组在0.25s时刻（共12个槽)短路全部匝数1/6，如此设置是为了建模比较方便，无需对故障绕组的几何模型进行重新修改。电机正常时，电机的各个线圈之间有良好的绝缘，当电机发生匝间短路故障时，绝缘层被破坏，出现短路电流。因此短路电阻Rt的值越小，代表故障的程度更加严重。

图8 匝间短路故障分析

    结果表明，在故障初期，也就是短路电阻较大时，短路电流f，较小，故障现象不明显，短路处的发热不大。随着故障的发展，短路电阻迅速减小，短路电流增大，短路处的发热量增大，使得绝缘迅速失效，故障进一步加剧，最终导致绕组完全短路，烧损。因此，短路电流应是评价电机故障程度的一个重要指标。同时，通过对输出转矩的分析，匝间短路故障导致了转矩波动的增加，这表明了气隙磁场发生了畸变。if产生了一个脉振磁场，它会引起气隙磁场的畸变，产生不同于正常运行时的电磁力波，进而导致电机的电磁转矩发生变化。这不但会影响电机的机械性能，还会增大电机定转子径向振动，发出异常的机械噪声。而振动的增大又会导致定子绕组匝间短路故障的进一步恶化，同时短路电流还可以形成去磁磁动势，使电机永磁体发生不可逆失磁。因此，对于永磁同步电机定子绕组匝间短路故障的早期诊断，是非常有必要的。

    3.2 转子偏心故障分析

    转子偏心故障可分为静态偏心故障、动态偏心故障二种类型。产生静态偏心的主要原因是即定转子不同轴心，造成动态偏心的原因是转轴弯曲或轴承损坏等。静偏心故障是电机普遍存在的故障，静偏心相当于转子旋转中心从定子中心向某个方向偏移，使转子在此方向相对于定子偏心，定、转子间气隙发生变化，这种气隙偏心固定在某一位置，它不随转子旋转而改变位置。动偏心故障也属于电机常见的故障类型，动偏心相当于转子中心从定子中心向某个方向偏移，但转子旋转中心没有偏移，这种气隙偏心随转子转动而转动。

    当电机发生偏心故障时，会影响到气隙磁场，所以对气隙磁场加以监测，将是电机故障检测的一个可行的方法。如在气隙中安放探测线圈，通过线圈中的感应电动势就可以知道气隙磁场的变化情况。

    提出一种在电机电枢绕组槽内设置三组探测线圈（三组探测线圈在空间位置互差120度）的方式来检测电机偏心故障的发生。这样做可以减小故障诊断系统的成本，减少相应的电压传感器数量。该方法的检测原理为：当电机旋转时，旋转的气隙磁场会在三个探测线圈中产生电压，通过检测各个线圈电压的幅值和波形，可以得知气隙磁场的变化，进而达到检测电机故障的目的。这线圈能免受高频谐波的干扰，故障特征明显，因此非常适合由逆变器供电的电机系统，另外，这种方法不需要知道电机的参数。由于探测线圈直接检测电机的气隙磁场，该方法的诊断结果准确可靠。

图9 探测线圈安装示意图

图10 探测线圈感应电势

    当电机发生静偏心故障时，电机的对称结构遭到破坏，各个探测线圈下的气隙长度将变得各不相同，各个探测线圈下的气隙磁通也将发生变化。靠近气隙长度减少的一侧的探测线圈气隙磁通将增大，而靠近气隙长度增大的一侧的探测线圈气隙磁通将减小。这必然导致各探测线圈中的感应电压幅值的不同，可以根据各线圈电压幅值的大小，判断电机是否发生静偏心故障。

    而当电机发生动偏心故障时，定、转子间气隙不再呈均匀分部，而在空间中随转子位置旋转而周期性的变化。如果忽略高次谐波，则电机各探测线圈下的磁导率是转子位置的函数，如式(1)所示。

公式1 函数公式

    探测线圈下磁通的表达式即为：

公式2 磁通表达式

    则探测线圈中感应电动势Ut的表达式：

公式3 感应电动势

    通过对式(3)的分析，发现其中除了含有基波频率50Hz外，还含有ω2=(p-l)ω1/p=25Hz与ω2=(p+l)ω/p=75Hz两个特征频率的分量。有限元仿真的结果证明了该结论的正确性，因此该方法可以作为电机动偏心故障的依据。

    3.3 失磁故障分析

    永磁材料具有失磁特性，当嵌入电机内作为励磁磁极后，受电机运行时温度、电枢反应、机械振动以及其它因素的综合影响，永磁体发生不可逆失磁的风险增加，导致电机的性能下降甚至使电机停转。而永磁体发生不可逆失磁故障的原因大部分可以归结为两个因素：电枢反应冲击电流产生的去磁磁势和运行温度的升高。永磁同步电机在设计时，通常会把空载反电动势E0设置在一个合理的范围，以便节省永磁材料、提高功率因素和电机效率。电机制成后，也可以通过调节供电电压来调节无功功率和功率因素。而当电机负载转矩不变即输出功率不变时，不计输入电压和空载反电动势E0变化引起的定子铁耗和附加损耗的变化，则电磁功率也不变。当供电电压不变时，为保证电磁功率不变，永磁体发生失磁故障后，E0将会减小，随之而来的就是功角和电枢电流的增大，实际上，随着电机不可逆失磁的产生，电机的铁损和铜损都会增加，电机效率会明显下降。

    永磁体发生失磁有可能是局部的，也有可能是均匀的。为了模拟电机发生失磁故障状态，将电机的每一个瓦片形磁极任意分为A、B、C、D、E共5块大小不等的小磁极，将不同磁感应强度大小的永磁材料分配给每一块小区域，用以模拟失磁故障的发生。

图11 永磁体分块情况

表2 模拟失磁故障永磁材料添加情况

图12 发生失磁故障III时磁密云分布

表3 失磁故障对电机参数性能的影响

    通过表3可以分析电机失磁后的感应电动势幅值、频谱以及其它参数的变化。从正常和故障情况下电机的空载特性对比来看，当电机空载运行时，不可逆失磁发生的位置及失磁程度不相同时，空载反电动势的幅值E0在失磁故障状态下都是减少的，同时进一步分析得到随着故障程度的增加，反电势的正弦总谐波畸变率THD有所增加。但因磁极仍然对称，且采用分布短矩绕组，电势波形仍然保持较好的正弦性。对于额定负载状态下失磁故障对电机参数性能的影响，通过有限元结果可以看出，电机产生不可逆退磁后，除电机的空载反电动势E0减小外，其它参数包括定子电流、电机损耗以及功角都增加，电机的效率和稳定性都有所下降。

4 结语

    本文分析了永磁同步电机的各类常见故障的工况的发生，为永磁同步电机的早期和实时故障诊断提供了一定的理论依据和思路。可惜的是目前尚缺少相关的实验验证，可以进一步研究电机的故障诊断技术。