本文旨在介绍一篇题为《感应电动机定子绕组匝间短路故障的热分析》（Thermal Analysis of Stator Winding Inter-Turn Short-Circuit Faults in Induction Motors）的学术论文。该论文由Ananias C. P. Muxiri, Fernando Bento, D.S.B. Fonseca, Antonio J. Marques Cardoso四位作者共同完成，他们均来自葡萄牙贝拉内饰大学（University of Beira Interior）的机电一体化系统研究中心（CISE）。该研究发表于2019年的国际工业工程、应用与制造会议（International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM）。该研究获得了欧洲区域发展基金（ERDF）和葡萄牙科学技术基金会（FCT）的资助。

一、 研究背景与目的

本研究的科学领域属于电气工程，具体聚焦于感应电动机的状态监测与故障诊断。作为全球工业应用中的核心动力设备，感应电动机的可靠运行至关重要。据统计，全球44%至46%的电能被电动机消耗，其中工业领域占比高达64%。因此，深入了解并有效监测感应电动机的各种潜在故障模式，对于提高工业系统可靠性和经济性具有重大意义。

定子故障是感应电动机中最常见的故障之一，其发生率随电压等级升高而显著增加，在高压电机中可占总故障的65%。定子绕组匝间短路（Inter-Turn Short-Circuit, ITSC）是其中一种严重且具有挑战性的故障模式。它通常由绕组绝缘热老化引发，而热老化又可由多种工况导致，如灰尘/湿气积聚、电压异常、电源不平衡、频繁启停或机械过载。根据蒙特辛格规则（Montsinger’s rule），绕组绝缘温度每超过额定值10°C，其寿命就会减半。匝间短路初期可能范围有限，但会迅速蔓延，导致过热、磁路不平衡、振动加剧乃至轴承损坏等连锁反应。

尽管热分析作为一种非侵入式状态监测方法，在早期检测多种电机故障方面潜力巨大，但针对匝间短路故障的热行为影响，在学术文献中仍研究不足。传统的诊断工具可能难以在早期有效识别此类故障。鉴于局部过热是匝间短路最显著的症状之一，对电机进行热分析有望为此类故障的识别提供一种新的有效工具。

因此，本研究的主要目的是：通过建立精确的有限元（Finite Element Method, FEM）热模型，系统性地分析不同严重程度的定子绕组匝间短路故障对感应电动机内部温度分布的影响。研究旨在阐明故障如何改变电机的热场，并探讨基于外部热成像进行在线非侵入式故障诊断的可行性。

二、 研究方法与详细流程

本研究采用基于有限元法的数值仿真方法，整个工作流程包含两个核心的、相互耦合的阶段：电磁仿真和热仿真。研究未使用实体样机进行实验，而是以一台特定技术参数的感应电动机为研究对象（其参数见表1），完全在仿真环境中进行。所使用的核心软件是CEDRAT公司的FLUX2D，这是一个专业的电磁与热场有限元分析软件。

流程一：电磁仿真建模与计算 此阶段的目的是获取电机在各种工况下（健康状态与不同严重程度的故障状态）的内部损耗分布，特别是焦耳损耗和铁损耗，这些损耗将作为后续热仿真的输入热源。

1. 几何与电路建模：首先，在FLUX2D中建立了所研究电机的二维横截面几何模型（如图1所示），并对定子铁芯、转子铁芯、绕组、气隙等部件进行了清晰标识。随后，构建了包含故障条件的电机驱动电路模型（如图2所示）。建模的关键创新点在于对定子绕组的精细处理：为了模拟局部短路，研究者没有将每相绕组视为一个整体线圈，而是将其细分为多个独立的线圈单元。例如，W相绕组被分为9个线圈（B1至B9）。其中，线圈B1、B2、B3被设计为具有特殊匝数（分别为6匝、9匝、21匝），而其余线圈（B4-B9）各为36匝。通过在线圈B1（6匝）上并联一个可变电阻R_f并设置短路条件，即可精确模拟W相中特定匝数（此处为6匝）的短路故障。通过改变电阻R_f的阻值，可以方便地控制短路回路的阻抗，从而模拟从轻微到严重的不同故障等级。

2. 仿真场景与参数设置：所有仿真均设定电机在半载（50%额定转矩，即7 Nm）和额定转速（1435 rpm）下运行。电源电压设置为时域变量以进行瞬态分析。本研究共设置了四种对比场景：

   • 场景1（健康状态）：作为基准，无任何短路故障。
   • 场景2（轻微故障）：W相6匝短路（线圈B1），短路电阻R_f = 1.35 Ω。此阻值被设定为使短路支路电流等于电机额定电流。
   • 场景3（中等故障）：W相6匝短路，短路电阻R_f = 0.1 Ω。
   • 场景4（严重故障）：W相6匝短路，短路电阻R_f = 0.001 Ω（近似纯短路）。

   电磁仿真计算了包括铁损（采用Bertotti方法）和各类焦耳损耗在内的总损耗。特别地，软件能够分别输出短路匝（线圈B1）和健康匝（线圈B2-B9）上的焦耳损耗，这对于分析故障的局部效应至关重要。

流程二：热仿真建模与计算 此阶段的目标是基于电磁仿真提供的损耗数据，计算电机在达到热稳态后的内部温度分布。

1. 模型与边界条件：热仿真重用了电磁仿真的几何模型。将电磁仿真计算出的、分布在电机各部件（定子铁芯、转子铁芯、各绕组线圈）上的损耗值作为体热源导入热模型。仿真初始时刻，假设电机整体温度均匀，等于室温25°C。
2. 材料属性与散热设置：为模型中各部件指定了准确的热物性参数，如导热系数、比热容和密度（见表III）。边界条件的设置尤为关键，它决定了电机内部热量如何散失到环境中。本研究主要考虑强制对流散热，根据电机通风系统的典型情况，将对流换热系数设定为80 W/(m²·°C)。此外，还设定了定子硅钢表面的辐射吸收/发射系数为0.95。这些参数的选择基于作者团队先前对类似感应电机进行FEM建模的经验和实验测试数据，以确保模型反映真实散热情况。
3. 仿真执行与稳态判定：进行瞬态热分析，模拟电机从启动到温度稳定的全过程。根据IEEE和IEC标准，当一小时内温升小于2°C时，即认为电机达到热稳态。仿真结果显示，在设定的负载和环境下，大约在t=8000秒时满足热稳态条件。因此，后续的温度分布分析均基于t=8000秒时刻的结果。

三、 主要研究结果

电磁仿真结果： 电磁仿真结果清晰地展示了匝间短路故障对电机电气特性的影响（见表IV和表V）。 1. 电流特性：在健康状态下，三相电流平衡。引入匝间短路后，即使只有6匝短路，也会导致三相电流出现轻微不平衡。值得注意的是，这种不平衡程度对不同短路严重程度（即不同R_f）并不敏感，在三组故障场景下相似。然而，短路支路自身的电流（I_f）则对故障严重程度极为敏感：随着短路电阻R_f从1.35 Ω降至0.001 Ω，短路电流呈指数级急剧上升。 2. 损耗分布：短路故障最显著的影响是导致电机损耗，特别是焦耳损耗的急剧增加和分布不均（见表V）。在健康状态下，各相绕组损耗均衡。发生短路后： * 短路支路损耗剧增：短路匝（B1）上的焦耳损耗随着R_f减小而爆炸式增长。在R_f=0.001 Ω的严重情况下，其损耗值极高。 * 定子绕组总损耗增加：即使是非短路相和健康匝，其焦耳损耗也会因故障导致的电流不平衡而上升。例如，在R_f=1.35 Ω的轻微故障下，整个定子绕组的焦耳损耗就已达到健康状态下的约两倍。 * 损耗分布不均：故障导致各相绕组间的损耗分布不再均匀。

热仿真结果： 热仿真结果以温度云图的形式直观展示了四种场景下电机内部的稳态温度分布（图3至图6），揭示了故障对热场的深刻影响。 1. 健康状态（图3）：温度分布均匀、对称。转子整体温度最高，定子绕组温度略高于定子铁芯，温度从定子内表面到外表面平缓递减。这是正常运行电机的典型热特征。 2. 轻微故障（R_f=1.35 Ω， 图4）：与健康状态相比，电机整体温度普遍升高约10°C。转子仍为最热部件。关键发现：定子温度分布开始出现局部不均匀。包含故障匝（6匝短路）的那个定子槽，其温度比其它健康槽高出2-4°C，相邻槽也有轻微温升。然而，从定子外表面观察，温度仍呈现从内到外的平缓递减趋势，这意味着从外部可能难以察觉这种轻微的局部过热。 3. 中等故障（R_f=0.1 Ω， 图5）：故障严重性增加导致热效应发生质变。关键发现：包含故障匝的定子槽温度首次超过了转子温度，成为电机中最热的区域。定子内部的温度梯度被极大放大，故障槽与周围定子元件之间形成显著温差。此前健康状态下沿定子外表面的平缓温度递减模式完全消失，代之以明显的不均匀分布。此时，仅通过观察定子外表面的温度，就能清晰识别出热不平衡。仿真显示，尽管局部温升严重，但最热区域温度仍低于F级绝缘的极限温度（155°C）。 4. 严重故障（R_f=0.001 Ω， 图6）：近乎纯短路条件下，热效应极端局部化。关键发现：过热高度集中在短路匝附近的极小区域，产生极高的局部温度。这种极端局部过热也会扩散影响到定子其他部分和转子，导致整个电机加热极不均匀。在这种情况下，电机绕组绝缘（F级）会在仿真验证的稳态达到之前就已失效。定子表面温度分布也呈现出显著的不均匀性。

结果间的逻辑关系：电磁仿真是热仿真的基础。短路故障首先改变了电流分布（结果：电流不平衡、短路电流激增），进而改变了损耗分布（结果：局部焦耳损耗剧增、总损耗上升且分布不均）。这些不均匀、增大的损耗作为热源输入热模型，最终导致了仿真所观察到的局部过热、整体温升和温度分布失衡。仿真结果层层递进，清晰地展示了从“电气故障”到“损耗异常”再到“热表现异常”的完整物理链条。

四、 研究结论与价值

本研究通过系统的有限元仿真，得出了关于匝间短路故障对感应电机热特性影响的明确结论： 1. 总体影响：定子绕组匝间短路故障会导致电机定子绕组温度显著升高。 2. 空间与严重性关系：当短路电阻较低（故障较严重）时，电机过热在空间上表现得更具表现力（温差大）和局域性（热点集中）。 3. 温度分布变化：此类故障会破坏电机内部温度场的均匀分布，导致严重的不平衡。 4. 外部可检测性：仿真结果表明，当故障达到一定严重程度（如R_f=0.1 Ω及以下）时，电机内部温度分布的不平衡可以从定子外表面被观察到。这为故障诊断提供了重要启示。

科学价值与应用价值： * 科学价值：本研究填补了匝间短路故障热分析领域的部分空白，通过精细化的多物理场耦合仿真（电磁-热），定量和定性地揭示了不同严重程度故障下电机内部温度场的演变规律，深化了对该故障模式热致机理的理解。 * 应用价值：研究结论直接支持了基于红外热成像（Thermography）的非侵入式在线状态监测技术的应用。对于内部未安装温度传感器的电机，通过使用热像仪监测定子外壳表面的温度分布，有可能检测到因匝间短路引起的局部过热或温度分布不对称，从而实现早期预警。这为工业现场提供了一种实用、直观且无需停机拆解的故障诊断手段。

五、 研究亮点

1. 研究对象的特殊性：聚焦于文献中研究相对较少的“匝间短路故障的热分析”这一具体问题，具有明确的针对性。
2. 方法的新颖性与精细化：
   • 创新的故障建模方法：将每相绕组细分为多个独立线圈，并通过在特定线圈上并联可变电阻来模拟任意匝数、任意严重程度的短路，方法灵活、精确，优于将绕组视为整体的简化模型。 . 完整的多物理场耦合流程：采用了“电磁仿真获取损耗-热仿真计算温度”的标准耦合分析流程，确保了热源数据的准确性。
   • 考虑实际的边界条件：热仿真中使用了基于经验的强制对流换热系数，提高了模型对真实散热环境的模拟精度。
3. 重要的研究发现：
   • 明确了匝间短路故障从“轻微”到“严重”发展过程中，电机热场从“整体均匀温升”到“局部轻微不均”，再到“局部热点超越转子温度并导致表面温度分布明显失衡”的演变过程。
   • 明确指出外部热成像可检测性的阈值：轻微故障时外部可能无法察觉，而中等及以上严重故障则会在定子表面产生可观测的热不平衡模式。这一发现对指导工程应用至关重要。
4. 清晰的工程指导意义：整个研究最终落脚于提出一种可行的非侵入式故障检测方法（热成像分析），将理论分析与工程应用紧密结合。

这项研究通过严谨的仿真设计，深入剖析了感应电机定子匝间短路故障的热效应，不仅增进了对该故障模式的科学认识，更重要的是为开发基于热分析的实用化在线监测与诊断工具提供了有力的理论依据和可行性论证。