异步电动机定子绕组匝间短路三维温度场计算与分析

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　　笼型感应电动机以其结构简单、运行可靠、效率较高、制造容易、成本较低等优点在工农业生产中广泛应用。对散嵌绕组的中小型电机而言，运行实践表明，电机最常见故障为定子绕组故障、转子绕组故障和轴承故障，分别占电机故障的 40%、7%和 40%。定子绕组故障主要包括匝间短路、过热及绝缘故障，其中，匝间短路故障占定子绕组故障的50%，过热故障约占 20%，而绝缘故障则占 25%左右[1-2]，这 3 种故障之间存在着相互关联，可能互为诱因，三者发生后最明显的标志之一是出现局部过热[3]。这些故障的发生，不仅导致电机损坏，而且可能导致损坏生产线中的其他设备，造成长时间的停产和昂贵的维修，因此，分析匝间短路故障产生机理和温度场的分布情况，有针对性地进行在线状态监测和故障诊断，对避免此类故障的发生非常重要。

　　对异步电机定子故障监测一直是国内外学者感兴趣的研究课题，并取得了大量的研究成果。参考文献[4-5]分别采用派克(park)模型和多回路有限元法对电机三相参数对称时和电机参数不对称时的匝间短路故障进行了建模，并对其状态进行详细地模拟;文献[6]利用定子电流频谱分析法进行了定子绕组短路故障的诊断;Penman J 等人利用轴向漏磁监测的方法进行定子绕组匝间短路的检测与定位[7];文献[8]应用旋转磁场理论对定子电流谐波成分的产生机理作出分析，指出某些槽谐波分量同样可以作为匝间短路故障特征量。侯新国等人利用振动信号和电流信号进行了感应电机定子绕组短路故障的诊断[9-10];董建园等人以电流分析法为基础，利用多种特征参量对定子绕组故障进行诊断[11];许伯强等人在多回路数学模型仿真的基础上，提出以定子负序视在阻抗滤波值作为匝间短路故障特征量进行诊断[12]。通过对定子绕组短路故障分析，发现温升增加，温度场分布随之发生变化，因此准确测量或计算电机的温度及其分布，对电机的过热故障检测和诊断非常重要。通过以上分析发现，对异步电机定子绕组匝间短路故障的诊断研究，主要集中在利用电磁[13]、振动信号方面[14]，对于利用温度进行在线监测诊断的研究，则主要是利用温升进行判断。华北电力大学李和明、李俊卿等人对电机中的温度场进行了计算研究[15-16]，海军工程大学的范春利对电缆破损程度和温度的响应关系进行了描述[17]，刘慧开等人则进一步对异步电机定子绕组槽内匝间短路发生初期的温度场进行了初步分析，发现仅依靠国标规定的温升限值来判断电机是否安全运行并不可靠[18-19]。本文在此基础上，对定子绕组槽内发生不同程度的局部短路故障、整槽绕组短路故障和端部绕组发生局部短路故障时定子的温度场进行了仿真研究，对电机定子绕组短路故障进行更全面的分析诊断。