永磁同步電機失磁故障電磁仿真分析

陳勝利,王新掌,許孝卓

(1.河南理工大學 電氣工程與自動化學院,河南 焦作454000;2.直驅電梯-河南省工程技術研究中心,河南 焦作454000)

永磁同步電機利用永磁材料產生機電能量轉換所需的磁場，不需要勵磁電流，與電勵磁式同步電機相比效率更高，功率密度更大，性能更好[1]。同時，永磁同步電機具有結構簡單、效率高、功率因數高、損耗小等特點，被廣泛用于各種行業的高效電機[2]。然而，由于永磁同步電機內的永磁材料易受內部和外界因素的影響，導致永磁材料不同程度的失磁，進而影響電機的性能。永磁材料的失磁故障一直是永磁同步電機中最主要的問題之一，因此對永磁同步電機永磁材料失磁故障的分析有著重要意義[3]。目前，有大量研究對永磁體退磁的原因進行了分析，例如，高溫退磁和偏心引起的震動退磁、化學腐蝕、強磁場退磁、時效退磁等。文獻[4]采用基于轉矩測量的小波分析法，判斷永磁退磁程度。文獻[5]設計了一種滑模觀測器，依照滑模變結構控制原理來估算永磁體磁鏈式。文獻[6]通過深入探究不均勻氣隙的永磁同步電機，研究了不同負載對永磁材料最小工作點的各方面影響。文獻[7]使用有限元法分析計算永磁體最小工作點和平均工作點以及最大退磁點，然后對比了電機不同運行狀態下的永磁體退磁特點。文獻[8～9]分析了永磁同步電機永磁體退磁機理以及退磁故障發生之后的電機電磁轉矩和氣隙磁密的變化。文獻[10～11]分析了永磁伺服電機永磁體退磁后氣息磁場的變化影響不平衡磁場力產生，導致電機機械振動。文獻[12～14]分析了在電機定子線圈不同匝間短路情況下，永磁體的失磁情況。文獻[15]分析了電機失磁對損耗的影響，表明電機在失磁故障發生后，電機損耗將增加，電機溫度增加，導致過載能力下降，電機性能降低。所以，永磁同步電機失磁故障研究在電機研究領域具有重要的意義[16-17]。

1 電機結構參數及其有限元模型

本文以一臺3 kW，220 V，6極，36槽三相永磁同步電機為例進行研究。該電機轉子結構為內轉子，永磁為表貼式6 mm厚度，充磁方式為徑向充磁。表1為實驗電機主要參數。

表1 實驗樣機主要參數

運用Asoft Maxwell電磁場有限元仿真軟件建立了永磁同步電機仿真模型，該有限元仿真模型的1/6二維平面模型如圖1所示。

圖1 實驗樣機有限元仿真2維模型

電機內部的電磁場分布復雜，為了準確地探究永磁同步電機退磁故障對電機性能的影響，本文對不同退磁程度對電機性能的影響規律進行了研究。本文依照電機實際構造，建立了電機二維分析模型?？紤]到實際電機構造較為復雜，本文對電機模型進行簡化和理想化假設：(1)材料皆為各向同性；(2)位移電流忽略不計；(3)采用二維模型，假設z軸分量為零；(4)材料磁導率恒定，不隨外界環境變化。

電磁分析采用時步有限元計算方法，確定實驗電機的二維數學模型，如式(1)所示。

(1)

式中，Ω表示求解區域；P1表示電機定子外圓和轉子軸邊界；P2表示永磁體外邊界；AZ表示磁矢量；μ表示磁導率，單位為H·m-1；σ表示電導率，單位為S·m-1；t表示時間，單位為ms；η1和η2表示永磁體邊界內外兩側的材料磁導率,單位為H·m-1；JZ表示外加軸向電流密度，單位為S·m-2；JS表示永磁體等效電流密度,單位為S·m-2。

2 建立故障模型

由于在實際工程運用中，永磁體失磁受到很多外界和內在因素的影響，導致退磁的實質為非線性變化。本文為了降低建模的復雜程度，認為永磁體退磁為等比例的均勻失磁，并且忽略溫度對永磁體電磁特性的影響。永磁材料的磁感應強度B為

B=-μ0Hc+Br

(2)

式中，μ0為真空下的磁導率，大小為4π×10-7H·m-1；Hc為永磁體矯頑力；Br為永磁體剩余磁感應強度，單位為T。本文通過改變矯頑力Hc和剩余磁感應強度Br的大小來模擬永磁體退磁故障，建立電機故障模型，進行有限元分析。

2.1 電機失磁和正常情況下的氣隙云圖

圖2和圖3分別為電機永磁體正常不失磁情況下的磁場強度云圖和磁力線分布。圖4和圖5分別是永磁體失磁60%情況下的磁場強度云圖和磁力線分布。從以上結果可以看出當永磁體失磁發生后，相應的電機內部磁場強度會減小，磁力線也會變得稀疏。

圖2 永磁體正常狀態下的電機磁場強度云圖

圖4 永磁體失磁60%狀態下的電機磁場強度云圖

圖5 永磁體失磁60%狀態下的磁力線分布

3 永磁同步電機永磁體失磁對電機性能的影響

3.1 永磁同步電機永磁體退磁故障下氣隙磁場分析

電機采用的稀土永磁材料為釹鐵硼，其退磁曲線近似為一條直線，永磁體剩余磁感應強度Br和矯頑力Hc近似為線性變化，因此失磁狀態下永磁體的Br和Hc等比例減小。氣隙磁場是對電機設計和結構參數評估環節重要的分析步驟，所以準確分析電機氣隙磁場十分必要。圖6和圖7分別為正常和失磁60%下永磁體的經向氣隙磁密曲線。圖8為電機永磁體在不同程度退磁狀態下空載和負載運行的氣隙磁場密度最大值曲線。

圖6 空載狀態下正常永磁體下的經向氣隙磁密

圖7 空載狀態下永磁體失磁60%的經向氣隙磁密

圖8 不同失磁狀態下的空載、負載運行下的氣隙磁密變化曲線

由圖6圖7可知，電機在空載及永磁材料正常的狀態下，經向氣隙磁場最大值為812.45 mT。在永磁材料退磁50%時，氣隙磁場最大值減小為431.58 mT，衰減為正常永磁的53.0%。隨著退磁程度的增加，氣隙磁場最大值近乎成線性減小趨勢，這是因為空載狀態下氣隙磁場為永磁體單獨勵磁磁場。

與空載狀態相比，永磁同步電機負載運行狀態過程中，氣隙磁場的最大值受永磁材料退磁程度變化的影響相對比較緩慢。在永磁體正常狀態下，電機負載運行的氣隙磁場最大值為1 024.70 mT。隨著永磁退磁程度的增加，氣隙磁場最大值近乎成線性減小。在50%的退磁程度下，氣隙磁場最大值為821.30 mT，衰減了19.8%。在退磁程度達到50%時曲線出現拐點。退磁程度大于50%之后，隨退磁程度的增加，氣隙磁場最大值的降低趨勢變緩。這是因為在退磁50%以上之后，電樞磁場在對氣隙磁場影響比重增加，而永磁磁場占比減小，導致在退磁50%出現拐點。

3.2 永磁同步電機永磁體退磁故障感應電壓、電流分析

永磁同步電機發生退磁故障時，永磁體可能是均勻失磁，也可能是局部退磁。為了研究不同退磁程度對感應電勢和電流的影響，本實驗模型忽略永磁退磁的復雜性，認為永磁體為均勻失磁，得出了不同退磁程度下的感應電勢和電流變化結果。

在仿真過程中，為了探究永磁體退磁對電機性能的影響，保持電機運行的各項參數(電壓、功角、溫度等)恒定，僅改變永磁體矯頑力和剩余磁感應強度，并在此基礎上得到了感應電勢、電流隨永磁體退磁程度變化的趨勢。

由圖9結果可知，在永磁同步電機永磁體正常的情況下，電機空載電動勢為265.5 V。而在退磁率達到70%時，空載感應電勢僅為82.0 V。當永磁體退磁程度增加時，空載感應電勢近似成線性減小。這是因為當電機永磁體失磁之后，永磁體產生的磁場變弱，氣隙磁場也相應降低，使得電機內有效磁通降低，空載感應電勢減小。

圖9 空載感應電壓隨失磁程度變化

圖10結果顯示，永磁電機電流變化和空載感應電勢截然不同，電流隨著電機永磁材料退磁程度的增加而增加，且增加速率也隨永磁失磁程度增加變快。在永磁體正常情況下，電機電流為18.8 A。在永磁體失磁程度達到70%時，電機電流增大為53.2 A，約為為正常情況下的3倍。

圖10 不同失磁狀態下的電流變化曲線

由表2可知，隨著永磁材料失磁程度的增加，電機感應電勢基波和諧波都不同程度減小，其中基波減小的程度最大，每失磁10%，基波平均減小26.70 V；3次諧波平均減小1.49 V；5次諧波平均減小0.70 V。該實驗結果數據可以作為永磁同步電機失磁故障診斷的數據來源。

表2 電機感應電勢基波和諧波隨失磁程度變化

3.3 永磁同步電機永磁體退磁對轉矩的影響

電磁轉矩是評價電機性能的重要指標之一，轉矩不僅受到電壓電流影響，而且與電機結構、轉速和永磁體有著很大關系。電機電磁轉矩計算式為

(3)

式中，Tem表示電磁轉矩；Pem表示電磁功率；Ω表示電角速度；P表示電機極對數。由式(3)可知，在電機轉速、功角和電壓一定時，電機電磁轉矩和感應電壓成正相關。通過控制其他參數保持恒定，將電機設定在額定電壓下工作，改變永磁體退磁比例，研究不同程度的退磁對電機輸出轉矩的影響。

圖11曲線為電機轉子永磁體分別在正常和失磁10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%狀態下的電磁轉矩曲線。圖12為在不同退磁程度下的最大輸出轉矩和平均轉矩對比。由圖可知，在永磁體正常的情況下，電機最大輸出轉矩為83.69 N·m。但在永磁體退磁70%時，電機的最大輸出轉矩僅為43.72 N·m。

圖11 不同失磁程度下的轉矩曲線圖

圖12 不同失磁比例下的最大轉矩、平均轉矩變化曲線

永磁同步電機最大輸出轉矩和額定輸出轉矩的比值為電機的過載能力，比值越大，說明電機的過載能力越強。當永磁體沒有發生退磁且磁性正常時，電機的過載能力為1.32。當失磁為50%時，電機的過載能力為0.98，此時永磁電機已無法達到額定轉矩輸出狀態。該結果可作為電機故障診斷的重要依據。

3.4 永磁同步電機永磁體退磁對損耗的影響

電機的損耗對電機溫升效應有著決定性作用，因此，研究失磁故障對電機損耗的影響有重要的實際意義，可以解決電機溫升系列問題。

通過表3可以看出隨著永磁體失磁程度的增加，銅耗迅速增加，升高幅度非常明顯，鐵耗變化平緩，但總體上呈下降趨勢。由于銅耗變化的原因，電機總損耗增大明顯。由此得出，當永磁電機永磁體發生失磁故障時，電機的損耗會相應的增大，導致溫升效應明顯，電機溫度增大，壽命減短。

表3 永磁體不同失磁程度對電機損耗的影響

4 結束語

永磁電機在永磁體發生失磁故障的情況下，電機會受到如下影響：(1)電機的氣隙磁場強度下降，氣隙磁場減小導致無法提供足夠的磁場，以至于電機電磁轉矩下降，從而影響電機效率；(2)由于永磁體勵磁效果減弱，電機空載反電勢減??；(3)感應電壓增大且電流增加，這將直接導致電機損耗急劇增加，電機發熱增加，甚至導致電機燒壞。

在此研究結果的基礎上，未來將把研究重點放在對永磁同步電機的溫度場分析和永磁體失磁的故障診斷等方面。研究人員將通過分析電機失磁溫度場，得到電機的溫度場模型，將溫度場的結果和電磁場進行耦合分析，從而進一步分析永磁體高溫失磁和失磁后損耗增加的相互影響，并分析電機達到最終穩態時的溫度場和電磁場狀態，探究電機永磁體失磁后的耦合場的運行機理，以期為永磁同步電機永磁體失磁故障的預防和診斷提供理論依據。