永磁同步电机失磁故障仿真研究

王 琦，林治国，高海波，盛晨兴，徐晓滨

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.杭州电子科技大学自动化学院，浙江 杭州 310018)

永磁同步电机体积小、重量轻、调速范围广、可靠性高，很适合作为推进主电机应用于船舶电力推进。 随着电机使用年限的增加，永磁体励磁性能会出现不同程度的降低，出现失磁故障，进而影响电机性能。失磁故障分为2种，一是磁钢中所有磁极均匀失磁到一定程度，称之为全部失磁或者均匀失磁，二是磁钢中某个磁极发生失磁，称之为部分失磁或者局部失磁[1]。目前，关于永磁电机失磁故障诊断的研究方法有很多。文献[2]通过改变磁链来模拟失磁故障，研究失磁程度对电机启动时间、转速波动、系统收敛性能的影响。文献[3]提出了基于转矩测量和小波分析的方法，来判断永磁电机失磁故障程度。文献[4]设计了一种自适应滑膜观测器，依据滑膜变结构控制原理，建立了估算永磁体磁链公式。

1 永磁同步电机模型

本文以一台小型船用永磁同步电机为例，探究不同失磁程度的永磁体对电机性能的影响。采用ANSYS Maxwell软件中自带的RMxprt和Maxwell 2D模块，选择永磁同步电机模型，代入实验对象的结构参数，生成电机模型。导入2D界面中，完成选择分配材料、加载激励源、设置边界条件、划分网格等步骤，生成有限元模型。表1为永磁同步电机主要参数。

表1 永磁同步电机主要参数

2 均匀失磁故障设置

高温和大电流是导致永磁体失磁的主要原因。一些其他故障如匝间短路、相间短路会产生较大的短路电流，大电流会在电枢中产生去磁磁动势，导致永磁体发生失磁故障。为了方便研究，本文将永磁体近似认为是均匀失磁，且忽略永磁体材料的电磁特性随温度的变化。表征永磁材料的永磁性能强弱参数主要为磁感应强度B：

B=-μ0Hc+Br，

(1)

式中：μ0为真空磁导率，其值为4π×10-7H/m；Hc为永磁材料的矫顽力;Br为剩余磁感应强度。

由公式(1)可知，通过等比例改变永磁材料的剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc，来改变磁感应强度，进而模拟永磁体不同失磁状态。本文选用的永磁体材料为钐钴磁钢XG196/96，其剩余磁感应强度Br为0.96 T，矫顽力Hc为690 kA/m,且近乎以线性规律变化。改变Br和Hc大小[5]，模拟永磁同步电机不同失磁程度。

3 永磁电机失磁对电机性能的影响

3.1 失磁故障对气隙径向磁密的影响

气隙磁通可分解成径向和切向2个方向，径向磁密会进入定子侧与定子电枢绕组径向匝链，是实现电机能量转换的重要区域。发生失磁故障后，永磁体性能的改变会直接影响气隙磁场，导致气隙径向磁密的基波及谐波幅值发生变化。气隙径向磁密是衡量电机性能的重要指标，在模型上的定子与转子间画圆，利用径向磁密公式(2)求取圆的径向磁密。

Bo=BX×cosθ+BY×sinθ,

(2)

式中：Bo为径向磁密；BX为磁密的X轴分量，BY为磁密的Y轴分量；θ为柱坐标中XY面的夹角。

图1(a)为永磁电机正常情况气隙径向磁密波形图，图1(b)为失磁50%情况下气隙径向磁密波形图。横坐标为气隙径向相对位置，纵坐标为磁通密度。

图1 正常情况和失磁50%气隙径向磁密波形图

从图1(a)中可以看出，电机在正常工作时，气隙径向磁密波形整体分布均匀，磁密峰值为0.984 T。而图1(b)中失磁50%气隙磁密图形发生明显畸变，磁密峰值为0.863 T。通过对比多组不同失磁程度的气隙磁密图形，发现电机在额定转速下运行时，随着失磁程度的加剧，气隙磁密峰值逐渐减小，磁密分布不均匀程度增加，波形畸变越来越严重。为进一步研究，对不同程度失磁的气隙磁密波形图进行傅里叶分析，将永磁同步电机在不同失磁故障气隙径向磁密谐波值提取出来，见表2。

表2数据表明，随着失磁程度的加剧，基波幅值越来越大，3次谐波幅值基本不变，11次谐波逐渐减小。基波增大，11次谐波减小可作为均匀失磁故障特征之一。

3.2 失磁故障对输出转矩的影响

将永磁电机设置在额定转速下工作，其他状态

表2 永磁同步电机不同失磁故障气隙径向磁密谐波大小

参数保持不变，研究正常情况及不同失磁程度故障下的电机输出转矩特性。

电机在正常恒定磁通下对应一个转矩常数K，其公式为：

(3)

式中：I为定子电流；T0是机械损耗转矩；T是负载转矩。

在电机实际工作过程中，机械损耗转矩难以直接得出，为方便研究，引用转矩常数Kt衰减值[6]：

(4)

式中：IA为定子电流峰值。

电机刚启动时，转矩和电流波动较大，当不同失磁故障的永磁同步电机额定转速稳定运行时，将转矩和相电流幅值的绝对值求平均值，并用公式(4)求得转矩常数衰减值，见表3。

表3 永磁同步电机不同失磁程度转矩常数衰减值

从表3知，失磁故障对输出转矩大小以及相电流幅值影响很大。输出转矩及相电流幅值随着失磁程度的增加不断减小，其比值转矩常数衰减值逐渐增大。永磁同步电机在额定转速下运行时，转矩常数衰减值的变化也可作为失磁程度的判断依据之一。

3.3 不同失磁情况下定子电流分析

电机发生失磁故障，引起气隙磁密改变，进而影响电机的电感，产生定子电流谐波。通过有限元分析得到定子电流随时间变化图形，对电机A相绕组电信号进行傅里叶分析，得到A相电流频谱图。 图2是不同失磁情况下定子电流傅里叶分析图，m1是基频幅值，m2是零到基频范围内最小的电流间谐波幅值。由图2(a)可知，电机正常情况下，在m2与m1对应频率之间，随着频率的增加，间谐波幅值逐渐增大。对比图2所有图形，发现(a)到(f)即失磁程度低于50%时，随着失磁故障程度增加，m2与m1对应频率范围内间谐波幅值由逐渐增大变成先增大后减小，靠近基频左侧的间谐波分量幅值越小。失磁程度超过50%，规律不再适用。将不同失磁程度定子电流基波幅值和m2对应频率数据汇总，见表4。

由表4知，在失磁程度低于50%时，随着失磁程度的增加，基波幅值一直减小。m2对应频率值也逐渐减小。当失磁程度超过50%时，此规律不再适用。在失磁程度低于50%时，基波幅值随失磁程度增加逐渐减小，在零到基频范围内电流间谐波幅值最小的值对应的频率也在逐渐减小，可作为失磁故障的判断依据之一。

3.4 不同失磁情况下感应电动势分析

转子角速度、永磁体产生的磁场、定子绕组匝数、气隙会影响电机感应电动势。电机发生失磁故障时，永磁体产生的磁场变化引起感应电动势变化。不同失磁程度的电机感应电动势(A相)傅里叶变换结果见表5。

表4 永磁同步电动机不同失磁程度定子电流傅里叶分析

图2 不同失磁情况下定子电流傅里叶分析

表5 A相感应电动势各谐波幅值随失磁程度的变化表

从表5可见，随着永磁同步电机失磁程度的增加，感应电动势基波幅值逐渐增加，但3次谐波的幅值先逐渐增大，失磁超过50%以上又呈现逐渐降低的趋势。感应电动势基波幅值越大，失磁程度越大，可作为判断失磁故障的特征之一。

4 结束语

永磁同步电机在额定转速下运行，随着失磁程度增加，输出转矩，定子电流逐渐减小，转矩常数衰减值逐渐增大；气隙磁密基波逐渐增大，3次谐波幅值基本不变，11次谐波逐渐减小；失磁程度低于50%时，随失磁程度增加，定子电流基波幅值逐渐减小，在零到基频范围内电流间谐波幅值最小值对应的频率也在逐渐减小；感应电动势基波幅值逐渐增大。以上规律可作为故障特征，为永磁同步电机失磁故障早期诊断提供依据。