绕组短路故障对表贴式永磁同步电机失磁影响的研究

论文摘要

近年来随着永磁电机的广泛使用,人们对永磁电机的安全运行提出了更高的要求。目前永磁电机正在向大功率化、高节能、高性能和微型化等方向发展,且运行环境日益复杂,需要对各种运行故障给予更多重视。及早发现事故隐患,减少事故发生几率,降低维修成本和经济损失,提高对永磁电机故障检测和分析的能力,将成为保证永磁电机安全可靠运行的重要研究课题。钕铁硼永磁材料因具有高磁能积和不含战略物资等特点而在永磁电机中得到迅速推广,但该材料热稳定性较差,矫顽力具有负温度系数等特点使得短路故障对钕铁硼永磁电机的影响与对传统电励磁机有所不同。特别是由短路故障引起的暂态冲击电流可能使永磁体出现局部不可逆失磁,从而导致电机损坏。目前预防永磁体失磁的主要方法是根据稳态短路电流对永磁体的整体去磁作用是否低于不可逆失磁拐点来进行校验,并考虑一定的余量,但实际上短路故障产生的暂态冲击电流对永磁体的去磁作用更大,且永磁体往往是局部失磁而非整体失磁,因此容易出现预防过度或预防不足等问题。为保证永磁电机安全运行并及早消除故障隐患,我们需要更多有效检测永磁体失磁的方法和手段。由于提取故障电机特征参数,了解失磁电机的运行行为是进行电机在线监测和诊断的前提,本文利用有限元法仿真分析了多种绕组短路故障的暂态过程对永磁电机的失磁影响,提取并分析了失磁电机的空载运行参数及其谐波变化规律,并继续研究了失磁电机带负载运行时的行为表现。本文首先介绍了永磁电机的基本结构及原理,并对永磁材料特性、四类绕组短路故障等作了简述。其次介绍了电磁场理论以及有限元法的特点,运用Ansoft软件建立了永磁电机模型,计算了未失磁电机空载及负载运行时的相关参数。再次计算了四类短路故障的暂态过程对永磁电机的失磁影响,根据磁密分布建立了永磁体的失磁模型,提取了不同类型失磁电机的空载反电势和磁链的波形及各次谐波幅值,并分析其变化规律。最后计算了不同类型失磁电机在带失磁故障情况下分别作额定电动和发电运行时的行为表现,并讨论永磁体是否会出现继续失磁,以此完善电机在线监测理论。结果表明,提取失磁电机空载反电势和磁链的波形并分析其各次谐波的变化规律,可以作为判断短路故障类型及永磁体失磁程度的依据。通过分析失磁电机继续带失磁故障额定运行时的行为表现,有利于完善电机在线监测理论。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及选题意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 选题意义
• 1.2 永磁体失磁故障研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 2 永磁同步电机概述
• 2.1 引言
• 2.2 永磁同步电机特点
• 2.3 永磁材料特点及性能参数
• 2.4 等效磁路及工作点确定
• 2.5 永磁同步电机运行
• 2.5.1 电压方程及向量图
• 2.5.2 稳态运行参数计算
• 2.6 绕组短路故障类型
• 2.6.1 三相对称短路
• 2.6.2 相间短路及单相短路
• 2.6.3 匝间绕组短路
• 2.7 本章小结
• 3 永磁同步电机有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 电磁场理论及分析方法
• 3.2.1 麦克斯韦方程
• 3.2.2 磁场分析方法
• 3.3 有限元法基本理论
• 3.3.1 恒定磁场的边界条件
• 3.3.2 边值问题和变分问题
• 3.3.3 剖分插值和条件变分离散
• 3.4 永磁电机有限元模型建立
• 3.4.1 几何模型的建立
• 3.4.2 材料的设置
• 3.4.3 边界条件设置及剖分
• 3.4.4 求解设置
• 3.5 未失磁电机运行分析
• 3.5.1 空载运行
• 3.5.2 额定运行
• 3.6 本章小结
• 4 永磁同步电机失磁故障分析
• 4.1 引言
• 4.2 绕组短路故障分析
• 4.2.1 短路故障种类与仿真实现
• 4.2.2 短路故障暂态影响
• 4.2.3 永磁体失磁分析
• 4.3 永磁体失磁模型建立
• 4.4 失磁电机空载运行
• 4.5 本章小结
• 5 失磁电机运行行为分析
• 5.1 引言
• 5.2 额定负载电动运行
• 5.2.1 电流及转矩变化
• 5.2.2 永磁体继续失磁分析
• 5.3 额定功率发电运行
• 5.3.1 电流及转矩变化
• 5.3.2 永磁体继续失磁分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录