重康动力（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

永磁发电机匝间短路的故障分析和建模试验研究

 

摘要：匝间短路是一种常见的发电机绕组故障，会产生巨大的短路故障电流，导致绕组局部过热，造成严重的安全事故和连带损失。由于匝间短路是发电机安全运行的重大威胁，需通过预防-监测-修复全链条管理降低风险。随着智能检测技术的发展，早期故障识别率将显著提升，为高可靠性电力系统提供保障。本文通过精细化绕组建模将故障线圈和健康线圈加以区分，建立三维全域流固耦合仿真模型，探究影响匝间短路故障绕组温升关键因素，并在样机系统进行了实验验证。

 

一、永磁发电机工作原理

 

1、基本结构

（1）定子：由铁芯和三相绕组组成，作为电枢绕组输出电能。

（2）转子：采用高性能永磁体（如钕铁硼）直接产生磁场，无需外部励磁电源。

2、发电过程

（1）当外部机械力（如柴油机）驱动转子旋转时，永磁体的磁场随之旋转。

（2）定子绕组切割旋转磁场，根据法拉第电磁感应定律产生三相交流电。

（3）频率公式：输出频率f=n×p/60，其中 n 为转速（rpm），p 为转子极对数。

（4）同步特性：转子转速与磁场旋转速度严格同步，无滑差，输出频率与转速直接相关。

3、核心特点

无励磁损耗：永磁体提供稳定磁场，效率高于传统电励磁发电机。

高功率密度：永磁体磁场强，体积小，适合紧凑场景。

需电力电子控制：变速运行时需变频器调节输出电压和频率。

4、优势与趋势

（1）优势：高效率（>95%）、低维护、快速动态响应。

（2）挑战：永磁体成本高，高温易退磁（需散热设计）。

（3）未来趋势：随着稀土永磁材料优化和成本下降，应用将扩展至潮汐能、飞轮储能等领域。

 

二、匝间短路的概念和故障分析

 

1、匝间短路的基本概念

（1）定义：匝间短路（Inter-Turn Short Circuit）指发电机绕组（通常为定子绕组）中同一线圈内的相邻导线因绝缘损坏而直接导通，导致部分线圈形成短路环路的故障。
（2）特点：

① 局部性：仅影响短路匝所在的局部绕组。

② 高短路电流：短路环路阻抗低，产生环流，导致局部过热。

③ 隐蔽性：早期故障可能不易察觉，但会逐步恶化。

2、故障原因

（1）绝缘劣化

① 老化：长期高温、振动或过电压导致绝缘材料（如环氧树脂、云母）龟裂或碳化。

② 环境污染：油污、湿气、粉尘侵入绕组间隙，降低绝缘性能。

③ 电化学腐蚀：金属部件与绝缘介质间的化学反应（如电晕放电）。

（2）机械应力

① 安装不当、振动或离心力导致导线位移、摩擦破损。

② 典型场景：发电机因频繁运行引发机械疲劳。

（3）制造缺陷

① 绕线工艺不良（如漆包线划伤）、绝缘层厚度不均。

② 过电压冲击

③ 雷电或操作过电压击穿匝间绝缘。

3、故障表现与危害

（1）运行异常：

① 电流不平衡：三相电流不对称，短路相电流显著增大。

② 温升异常：短路区域局部过热（可通过红外热成像检测）。

③ 振动加剧：磁场不对称导致电磁力不平衡。

② 输出异常：电压波动、功率下降，严重时触发保护装置跳闸。

（2）直接危害：

① 短路点持续发热可能烧毁绕组，甚至引发火灾。

② 故障扩散为相间短路或接地短路，导致发电机彻底损坏。

（3）经济影响：停机维修成本高昂，尤其对大型风力发电机组或工业发电机。

 

三、建模方法与试验过程

 

1、研究背景

      永磁同步发电机广泛应用在柴油发电机组领域，对安全可靠性有极为严苛的要求。匝间短路故障作为发电机系统常见故障，现有研究主要集中在电磁行为特征和故障诊断方法，关于故障后绕组温度场及其影响因素的研究还不够深入，尚未实现健康绕组和故障绕组的独立建模和温升准确预测。

2、所解决的问题及意义

      本文以一台多三相永磁同步发电机为研究对象，通过有限元分析方法建立2D电磁模型以及三维全域流固耦合热模型，对发电机及其绕组进行精细化建模并进行磁热联合仿真，研究匝间短路前后发电机的温度场分布。对在不同位置、不同匝数、不同转速以及不同负载的情况下绕组温升进行预测，分析影响温升的关键因素，探究故障最严重的工况，为匝间短路故障的容错研究提供依据。

3、发电机电磁模型及精细化热模型的建立

      图1为多三相分数槽集中式绕组发电机电磁模型，首先对目标发电机及其绕组进行精细化建模，假设故障发生在A1线圈，则将A相绕组划分为A1线圈中健康绕组AH，故障绕组AF以及健康线圈A2，如图2所示。

 

图1  多三相分数槽集中式绕组发电机模型

图2  同步发电机匝间短路电路图

 

      如图3所示，发电机的主要生热部分为绕组、硅钢片及永磁体。本文通过建立流固耦合的仿真模型在发电机周围建立足够大的空气域直接模拟发电机的自然散热过程，有效减小计算误差。铜导线按照实际绕制方式进行三维建模，将其余绝缘材料看作等效绝缘包裹在铜导体周围,如图4所示，包括绝缘漆、绕组浸漆和空气。在这种建模方式下，铜导线和绝缘材料的径向和轴向导热系数一致，极大的简化了建模复杂度。

      当发生匝间短路故障时，考虑到短路线圈与健康绕组的损耗和温度分布存在显著差异，在建立绕组热模型时同样需要对绕组中的8匝线圈单独进行建模，如图5所示，8匝铜导线通过端部相连。

 

图3  永磁发电机热模型

图4  发电机等效绕组三维建模

图5  发电机A1相绕组热模型

 

 

4、发电机故障前后温度场仿真结果

      仿真发电机在额定转速1500rpm，负载为67A时短路前后发电机的温度云图，见图6和图7。发电机的整体温度从中部到端部逐渐降低，绕组温度沿径向方向逐渐减小，故障线圈AF温度最高，健康绕组AH较其余健康绕组升温明显，仿真结果得最外层1号位置的线圈发生单匝故障时最为严重，温度最高达到164.14。基于该模型，论文分别研究了故障位置、故障匝数、不同转速以及不同负载对绕组温升的影响。

 

图6  正常运行时发电机温度

图7  发电机匝间短路温度分布

 

5、匝间短路温度实验

      搭建5kW多三相永磁同步发电机实验平台。选取最严重的单匝故障工况进行测试，分别获得额定负载下故障前后的绕组温度情况。实验结果见图8至图9验证了仿真模型的正确性。

 

图8  故障前发电机绕组温升

图9  发电机额定负载下匝间短路绕组温升

 

结论：

通过上述分析，永磁同步发电机凭借其高效、紧凑的特点，在可再生能源和高端工业领域持续发挥关键作用。本文通过精细化绕组建模建立3D有限元流固耦合的温度场模型，准确预测发电机故障前后的温升。研究表明位于槽口的单层线圈短路时故障最严重；短路匝数越多，电流越小温升越低；匝间短路绕组温度随负载和转速增大而升高。

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