永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高力矩惯量比、宽范围的恒功率调速比、小振动和低噪声等优点,在国民经济的诸多领域得到了广泛的应用。然而,永磁电机相对传统的电机而言,其励磁磁场主要采用永磁体作为磁源,电机一旦出现故障,将严重影响永磁体的性能甚至引起不可逆退磁,进而降低电机的输出性能、承载能力以及寿命等。因此,对永磁电机故障时其内部的电磁场、不平衡磁拉力和温度场进行研究,揭示故障对电机性能的影响机理,为永磁电机的故障诊断提供理论支撑具有重要的意义。本文针对永磁同步电机常见的失磁故障、定子绕组短路故障以及转子偏心故障等建立相应的物理场分析模型,确定各物理场之间的相互联系和制约关系,揭示故障对电机关键性能的影响机理,找出故障发生后的一些特征量信号,为永磁同步电机故障研究与诊断奠定基础。论文的主要研究工作如下:(1)以一台额定功率为14kW、额定转速为2000rpm的永磁同步电机为研究对象,采用有限元方法建立了永磁体失磁故障下的电机电磁场分析模型,对电机正常状态以及永磁体失磁状态进行了研究,给出了额定运行状态下永磁体在不同失磁率时电机性能的变化情况,揭示了电机内谐波磁场、功率因数、效率、损耗、最大转矩和过载能力等参数的变化机理;对比分析了转子在不同失磁程度下电机各部分损耗的变化情况,确定了电机谐波磁场与电机损耗的对应关系,为后续章节电机内温度场分析奠定了基础;开展了永磁同步电机失磁故障的测试研究,对电机在不同转速和不同负载情况下的输出参数进行了测量,验证了分析方法的正确性和结果的可靠性,为永磁同步电机故障机理的揭示与故障诊断提供了重要的数据支持。(2)针对永磁同步电机单相绕组匝间短路故障、两相绕组局部短路故障建立了电机电磁场有限元分析模型,研究了绕组故障对电机电磁场和电机运行性能的影响;提出了电机绕组故障电流不平衡度的确定方法,并以此衡量电机绕组短路故障对电机电流影响的程度;基于电机内电磁场的变化分析,揭示了单相线圈匝间短路时电机输出转矩、转矩波动、输入电流、电流不对称性、功率因数以及电机各部分损耗的变化机理,并给出了以上各项参数随短路故障程度的变化规律;在此基础上,研究了电机两相绕组局部短路对电机性能的影响,对比分析了电机不同短路形式引起气隙磁场的变化特点,并给出了故障位置与气隙磁场变化的对应关系,为开展定子绕组短路故障诊断奠定了基础。(3)针对永磁同步电机转子偏心故障建立了静态偏心、动态偏心电机电磁场有限元分析模型,研究了转子偏心对电机性能以及电机电磁场的影响;采用有限元计算方法,计算了电机转子的静态偏心、动态偏心以及不同偏心程度下电机磁场和损耗的变化情况;同时,结合傅里叶谐波分解理论,对气隙内的谐波磁场进行了分解,揭示了转子偏心对损耗影响的作用机理,为研究电机内各部分温度分布的变化奠定了基础;为了定量对比研究转子偏心对电机输出转矩的影响,本文提出了转矩波动系数的概念,确定了电机转子不同偏心情况下电机转矩波动的变化规律;由于气隙磁密沿圆周方向的变化情况不易测量,提出了偏心转子表面探测线圈测试方法,对气隙最小位置和最大位置磁密的变化进行了测试,验证了转子偏心对气隙磁场影响相关研究的正确性。(4)采用向量磁位方法对永磁同步电机转子偏心下电磁力进行了解析公式推导,建立了电机不平衡磁拉力的分析模型。结合有限元计算分析方法,对比研究了电机转子偏心对电机不平衡磁拉力的影响,通过确定电机转子偏心率,给出了电机转子偏心率不同时电机转子所承受不平衡磁拉力的变化情况,确定了电机转子不平衡磁拉力与偏心率的对应关系。同时,深入研究了电机转子永磁体失磁以及定子绕组短路故障状态下,电机不平衡磁拉力的变化情况,通过谐波磁场的分析,揭示了电机不同故障状态下电机不平衡磁拉力的变化机理。(5)结合前述章节对永磁同步电机不同故障状态损耗的分析,基于传热学相关理论,建立了永磁同步电机的二维温度场计算模型。在给定相应边界条件的基础上,对永磁同步电机的温度场进行了计算,确定了永磁电机各部分温度的分布情况,并对永磁电机温敏特性进行了深入研究。然后对比分析了电机失磁故障、定子绕组短路故障以及转子偏心故障引起的电机内温度分布的变化情况,给出了不同形式的故障对电机温度分布的影响规律,揭示了电机内各部分温度变化的机理,对于防止永磁体高温失磁以及永磁电机温度在线故障的诊断奠定了基础。