永磁同步電機(jī)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(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院,河南 焦作454000;2.直驅(qū)電梯-河南省工程技術(shù)研究中心,河南 焦作454000)

永磁同步電機(jī)利用永磁材料產(chǎn)生機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所需的磁場，不需要勵磁電流，與電勵磁式同步電機(jī)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(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、功率因數(shù)高、損耗小等特點(diǎn)，被廣泛用于各種行業(yè)的高效電機(jī)[2]。然而，由于永磁同步電機(jī)內(nèi)的永磁材料易受內(nèi)部和外界因素的影響，導(dǎo)致永磁材料不同程度的失磁，進(jìn)而影響電機(jī)的性能。永磁材料的失磁故障一直是永磁同步電機(jī)中最主要的問題之一，因此對永磁同步電機(jī)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(jìn)行了分析，例如，高溫退磁和偏心引起的震動退磁、化學(xué)腐蝕、強(qiáng)磁場退磁、時效退磁等。文獻(xiàn)[4]采用基于轉(zhuǎn)矩測量的小波分析法，判斷永磁退磁程度。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種滑模觀測器，依照滑模變結(jié)構(gòu)控制原理來估算永磁體磁鏈?zhǔn)健Ｎ墨I(xiàn)[6]通過深入探究不均勻氣隙的永磁同步電機(jī)，研究了不同負(fù)載對永磁材料最小工作點(diǎn)的各方面影響。文獻(xiàn)[7]使用有限元法分析計(jì)算永磁體最小工作點(diǎn)和平均工作點(diǎn)以及最大退磁點(diǎn)，然后對比了電機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)下的永磁體退磁特點(diǎn)。文獻(xiàn)[8～9]分析了永磁同步電機(jī)永磁體退磁機(jī)理以及退磁故障發(fā)生之后的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和氣隙磁密的變化。文獻(xiàn)[10～11]分析了永磁伺服電機(jī)永磁體退磁后氣息磁場的變化影響不平衡磁場力產(chǎn)生，導(dǎo)致電機(jī)機(jī)械振動。文獻(xiàn)[12～14]分析了在電機(jī)定子線圈不同匝間短路情況下，永磁體的失磁情況。文獻(xiàn)[15]分析了電機(jī)失磁對損耗的影響，表明電機(jī)在失磁故障發(fā)生后，電機(jī)損耗將增加，電機(jī)溫度增加，導(dǎo)致過載能力下降，電機(jī)性能降低。所以，永磁同步電機(jī)失磁故障研究在電機(jī)研究領(lǐng)域具有重要的意義[16-17]。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jī)為例進(jìn)行研究。該電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為內(nèi)轉(zhuǎn)子，永磁為表貼式6 mm厚度，充磁方式為徑向充磁。表1為實(shí)驗(yàn)電機(jī)主要參數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要參數(shù)

運(yùn)用Asoft Maxwell電磁場有限元仿真軟件建立了永磁同步電機(jī)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)有限元仿真2維模型

電機(jī)內(nèi)部的電磁場分布復(fù)雜，為了準(zhǔn)確地探究永磁同步電機(jī)退磁故障對電機(jī)性能的影響，本文對不同退磁程度對電機(jī)性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。本文依照電機(jī)實(shí)際構(gòu)造，建立了電機(jī)二維分析模型?？紤]到實(shí)際電機(jī)構(gòu)造較為復(fù)雜，本文對電機(jī)模型進(jìn)行簡化和理想化假設(shè)：(1)材料皆為各向同性；(2)位移電流忽略不計(jì)；(3)采用二維模型，假設(shè)z軸分量為零；(4)材料磁導(dǎo)率恒定，不隨外界環(huán)境變化。

電磁分析采用時步有限元計(jì)算方法，確定實(shí)驗(yàn)電機(jī)的二維數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示。

(1)

式中，Ω表示求解區(qū)域；P1表示電機(jī)定子外圓和轉(zhuǎn)子軸邊界；P2表示永磁體外邊界；AZ表示磁矢量；μ表示磁導(dǎo)率，單位為H·m-1；σ表示電導(dǎo)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(nèi)外兩側(cè)的材料磁導(dǎo)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(shí)際工程運(yùn)用中，永磁體失磁受到很多外界和內(nèi)在因素的影響，導(dǎo)致退磁的實(shí)質(zhì)為非線性變化。本文為了降低建模的復(fù)雜程度，認(rèn)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(yīng)強(qiáng)度B為

B=-μ0Hc+Br

(2)

式中，μ0為真空下的磁導(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度，單位為T。本文通過改變矯頑力Hc和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br的大小來模擬永磁體退磁故障，建立電機(jī)故障模型，進(jìn)行有限元分析。

2.1 電機(jī)失磁和正常情況下的氣隙云圖

圖2和圖3分別為電機(jī)永磁體正常不失磁情況下的磁場強(qiáng)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(qiáng)度云圖和磁力線分布。從以上結(jié)果可以看出當(dāng)永磁體失磁發(fā)生后，相應(yīng)的電機(jī)內(nèi)部磁場強(qiáng)度會減小，磁力線也會變得稀疏。

圖2 永磁體正常狀態(tài)下的電機(jī)磁場強(qiáng)度云圖

圖4 永磁體失磁60%狀態(tài)下的電機(jī)磁場強(qiáng)度云圖

圖5 永磁體失磁60%狀態(tài)下的磁力線分布

3 永磁同步電機(jī)永磁體失磁對電機(jī)性能的影響

3.1 永磁同步電機(jī)永磁體退磁故障下氣隙磁場分析

電機(jī)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(yīng)強(qiáng)度Br和矯頑力Hc近似為線性變化，因此失磁狀態(tài)下永磁體的Br和Hc等比例減小。氣隙磁場是對電機(jī)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)評估環(huán)節(jié)重要的分析步驟，所以準(zhǔn)確分析電機(jī)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(jīng)向氣隙磁密曲線。圖8為電機(jī)永磁體在不同程度退磁狀態(tài)下空載和負(fù)載運(yùn)行的氣隙磁場密度最大值曲線。

圖6 空載狀態(tài)下正常永磁體下的經(jīng)向氣隙磁密

圖7 空載狀態(tài)下永磁體失磁60%的經(jīng)向氣隙磁密

圖8 不同失磁狀態(tài)下的空載、負(fù)載運(yùn)行下的氣隙磁密變化曲線

由圖6圖7可知，電機(jī)在空載及永磁材料正常的狀態(tài)下，經(jīng)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?yàn)榭蛰d狀態(tài)下氣隙磁場為永磁體單獨(dú)勵磁磁場。

與空載狀態(tài)相比，永磁同步電機(jī)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)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(tài)下，電機(jī)負(fù)載運(yùn)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(dá)到50%時曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。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?yàn)樵谕舜?0%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(dǎo)致在退磁50%出現(xiàn)拐點(diǎn)。

3.2 永磁同步電機(jī)永磁體退磁故障感應(yīng)電壓、電流分析

永磁同步電機(jī)發(fā)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(yīng)電勢和電流的影響，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃雎杂来磐舜诺膹?fù)雜性，認(rèn)為永磁體為均勻失磁，得出了不同退磁程度下的感應(yīng)電勢和電流變化結(jié)果。

在仿真過程中，為了探究永磁體退磁對電機(jī)性能的影響，保持電機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)(電壓、功角、溫度等)恒定，僅改變永磁體矯頑力和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上得到了感應(yīng)電勢、電流隨永磁體退磁程度變化的趨勢。

由圖9結(jié)果可知，在永磁同步電機(jī)永磁體正常的情況下，電機(jī)空載電動勢為265.5 V。而在退磁率達(dá)到70%時，空載感應(yīng)電勢僅為82.0 V。當(dāng)永磁體退磁程度增加時，空載感應(yīng)電勢近似成線性減小。這是因?yàn)楫?dāng)電機(jī)永磁體失磁之后，永磁體產(chǎn)生的磁場變?nèi)酰瑲庀洞艌鲆蚕鄳?yīng)降低，使得電機(jī)內(nèi)有效磁通降低，空載感應(yīng)電勢減小。

圖9 空載感應(yīng)電壓隨失磁程度變化

圖10結(jié)果顯示，永磁電機(jī)電流變化和空載感應(yīng)電勢截然不同，電流隨著電機(jī)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(jī)電流為18.8 A。在永磁體失磁程度達(dá)到70%時，電機(jī)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(tài)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(jī)感應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以作為永磁同步電機(jī)失磁故障診斷的數(shù)據(jù)來源。

表2 電機(jī)感應(yīng)電勢基波和諧波隨失磁程度變化

3.3 永磁同步電機(jī)永磁體退磁對轉(zhuǎn)矩的影響

電磁轉(zhuǎn)矩是評價電機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，轉(zhuǎn)矩不僅受到電壓電流影響，而且與電機(jī)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速和永磁體有著很大關(guān)系。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為

(3)

式中，Tem表示電磁轉(zhuǎn)矩；Pem表示電磁功率；Ω表示電角速度；P表示電機(jī)極對數(shù)。由式(3)可知，在電機(jī)轉(zhuǎn)速、功角和電壓一定時，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電壓成正相關(guān)。通過控制其他參數(shù)保持恒定，將電機(jī)設(shè)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響。

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

圖11 不同失磁程度下的轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖12 不同失磁比例下的最大轉(zhuǎn)矩、平均轉(zhuǎn)矩變化曲線

永磁同步電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩和額定輸出轉(zhuǎn)矩的比值為電機(jī)的過載能力，比值越大，說明電機(jī)的過載能力越強(qiáng)。當(dāng)永磁體沒有發(fā)生退磁且磁性正常時，電機(jī)的過載能力為1.32。當(dāng)失磁為50%時，電機(jī)的過載能力為0.98，此時永磁電機(jī)已無法達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩輸出狀態(tài)。該結(jié)果可作為電機(jī)故障診斷的重要依據(jù)。

3.4 永磁同步電機(jī)永磁體退磁對損耗的影響

電機(jī)的損耗對電機(jī)溫升效應(yīng)有著決定性作用，因此，研究失磁故障對電機(jī)損耗的影響有重要的實(shí)際意義，可以解決電機(jī)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(jī)總損耗增大明顯。由此得出，當(dāng)永磁電機(jī)永磁體發(fā)生失磁故障時，電機(jī)的損耗會相應(yīng)的增大，導(dǎo)致溫升效應(yīng)明顯，電機(jī)溫度增大，壽命減短。

表3 永磁體不同失磁程度對電機(jī)損耗的影響

4 結(jié)束語

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

在此研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，未來將把研究重點(diǎn)放在對永磁同步電機(jī)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(jī)失磁溫度場，得到電機(jī)的溫度場模型，將溫度場的結(jié)果和電磁場進(jìn)行耦合分析，從而進(jìn)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(jī)達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)時的溫度場和電磁場狀態(tài)，探究電機(jī)永磁體失磁后的耦合場的運(yùn)行機(jī)理，以期為永磁同步電機(jī)永磁體失磁故障的預(yù)防和診斷提供理論依據(jù)。