[发明专利]一种容错永磁电机在匝间短路故障下的快速温度计算方法

说明书

本发明公开了一种容错永磁电机在匝间短路故障下的快速温度计算方法。提出了一种针对周向热源不对称分布情况下的简化热阻网络模型。通过将温度梯度较小的部位等效为一个温度均匀分布的节点来减少建模成本。具体过程包括：根据有限元分析，推导出匝间短路电流的解析计算公式；通过对损耗以及节点间热阻的分析，找出温度梯度较小的部位；将温度梯度较小的部位等效为一个温度均匀分布的节点，建立简化模型求解电机温度。与其他方法相比，无需借助仿真就可以得到不同温度下的短路损耗，减少了计算时间；减少了热阻网络的建模成本，在保证精度的前提下大大提升了温度求解速度。

技术领域

本发明涉及一种容错永磁电机在匝间短路故障下的快速温度计算方法，同时适用于其他的损耗不对称分布的情况，属于电机制造的技术领域。

背景技术

永磁电机目前在许多领域得到了广泛的应用，人们对永磁电机的要求也越来越高。无论是在医疗、军事还是交通运输领域，永磁电机运行的安全性和可靠性都是衡量其性能的重要指标。当故障发生时，会导致永磁电机的不对称运行，转矩脉动增大，振动和噪声增大，影响永磁电机的安全运行。因此，要求永磁电机在发生故障时应具有一定的容错能力，使整个系统的运行不受或受影响较小。将容错概念引入永磁电机，研究和开发高功率密度、高容错性能的永磁电机具有重要意义。

容错永磁电机最重要的要求是其故障管理和减轻的能力。在永磁电机的运行中，第二大易损坏的部件是绕组，它约占总故障的15％-21％。电动机在运行过程中，绕组的绝缘层承受一定的机械应力、电气应力和热应力，当这些应力超过一定限度时，绕组的绝缘层就会损坏，导致匝间短路故障的发生。在绕组的常见故障中，匝间短路故障是最严重的，尤其在短路匝数较少的情况下。短路电流可以达到额定电流的几十倍，在绕组中产生的大量的热量会在短时间内造成非常高的温升。高温会加剧绕组中绝缘层的损坏，最终导致电机完全损坏。因此在设计阶段，一个考虑到所有影响的精确热分析是非常重要的，它可以预测匝间短路故障下的温度分布以及热点温度。重要的是，在造成进一步损害之前，要量化温度上升的速度和检测故障所允许的最大持续时间，并采取适当的缓解措施。

目前，对电机在匝间短路故障下的研究较少，已有的研究或者没考虑温度的不对称分布，只研究了短路槽中的温度分布；或者没考虑温度对短路电流的影响，将短路电流和短路损耗视为常数；或者将二维电磁仿真和三维有限元温度仿真耦合，求解过程尤为耗时。

发明内容

本发明的目的是，提出了一种容错永磁电机在匝间短路故障下的快速温度计算方法。针对二维电磁仿真时间过长，提出了匝间短路电流的解析计算公式，大大减少了计算时间。针对损耗不对称分布情况下无法只取一齿一槽来简化模型，提出了新的简化模型，大大节约了建模成本。在保证精度的前提下大大提升了匝间短路故障下的温度求解速度。

为了满足技术要求，本发明采用的技术方案是：一种容错永磁电机在匝间短路故障下的快速温度计算方法，包括如下步骤：

步骤1，根据匝间短路的等效电路以及二维有限元电磁分析模型仿真，得到匝间短路电流关于温度以及短路匝数的解析计算公式；

步骤2，通过二维电磁分析以及匝间短路电流计算公式，得到电机在匝间短路故障下的不对称损耗分布；

步骤3，通过对损耗分布及转子材料物理参数的分析，将整个转子用一个温度均匀分布的等效节点代替，等效后的各项物理参数由面积加权法计算得到；

步骤4，通过分析电机在不对称损耗分布下的热流路径以及各节点间热阻值的大小，确定定子上温度梯度较小的部位，同样用一个温度均匀分布的等效节点代替；

步骤5，等效处理后，对电机整体进行热阻网络建模，节点间的热阻值可由传热学相关理论推导得出，利用热阻网络法求解电机温度场。其中，短路匝损耗利用解析公式计算得出，且每秒更新一次，在考虑短路电流随温度变化的前提下计算电机的瞬态温升。