航空永磁同步发电机高温均匀退磁故障仿真研究

2021-08-31余银犬仲元昌涂文兵陈齐平杨锦雯

南昌航空大学学报（自然科学版） 2021年2期

余银犬，仲元昌，涂文兵，陈齐平，杨锦雯

（1. 华东交通大学机电与车辆工程学院，南昌 330013；2. 华东交通大学精密加工与智能装备制造研究所，南昌 330013；3. 重庆大学微电子与通讯工程学院，重庆 2400044）

引言

随着航空技术的发展，飞机体型越来越大，机构也越来越复杂，飞机电控系统中的航空电子设备和电传系统越来越多，对飞机供电系统的安全性[1]及发电机的能源效率比要求也越来越高，飞机电控系统如图1 所示。因此，全电飞机和大飞机的电动机和发电机中高效率的永磁同步电动机/发电机（稀土永磁）的应用是近年来研究的一个重要方向和趋势。

图1 飞机的动力控制系统

永磁同步发电机（PMSG）因其具有机构简单、运行可靠、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高、力矩惯量比高、能量密度高和调速范围宽等优点[2]而被越来越多的新能源发电系统（水轮机发电和风力发电）、全电飞机执行机构和飞机发电系统所采用[3]。然而，飞机永磁同步发电机是由涡轮发动机带动的，涡轮发动机的高温可能会引起飞机永磁同步发电机的退磁。当飞机永磁发电机发生退磁故障时，会导致其发电效率下降，发电电压波动大，供电质量变差，严重的话会导致部分电控系统不工作和蓄电池能量管理系统（BMS）损坏，甚至导致异常振动，振动加大以至于损坏整个发电系统。很多学者从事了这方面的探索，在永磁同步电机退磁方面取得了一定成果[4]。文献[5]对永磁电机内部热场进行了分析，计算了温度和永磁体退磁之间的相互关系，文献[6]通过分析电动汽车上应用的永磁电机几何构造和尺寸，研究了其对永磁电机退磁的具体影响。与表贴式永磁电机转子结构相比，内置式永磁体转子结构更加安全可靠，因此在电动汽车永磁电机、高速动车永磁牵引电机和飞机发电机等对安全可靠性要求高的场合，永磁电动机/发电机均采用内置式永磁结构[7]。永磁同步电机退磁故障可以采用传统的磁路分析法[8]、建立仿真模型的有限元法[9]或结合这两种方法进行分析[10]。随着信号处理新技术和机器深度学习新算法的应用，永磁电机退磁故障分析方法也由模型驱动演变为数据驱动。文献[11]就应用了基于时间−时间变换和极限学习机相结合的方法研究了永磁同步直线电动机的退磁故障识别和分类，该方法特别适合于电机的批量消磁检测和定期维护。文献[12]中，采用信号S 变换的方法使得原始反电动势信号的可识别部分显著增强，再通过粒子群算法对最小二乘支持向量机的参数进行优化，以快速准确地对永磁电机退磁故障进行诊断。然而，永磁同步电机容易退磁的隐患一直未得到解决，大部分研究仅停留在实验室用SIMULINK 对理想模型进行仿真这一阶段，严重影响了永磁同步发电机在航空领域的推广应用。

因此，本文采用有限元数值方法对不同程度均匀退磁的发电机及其直接受退磁影响的反电动势、脉动转矩和漏磁等信号进行相关性分析。永磁体的退磁主要是由于高温和定子电流过大引起的磁场逆作用。当发电机在高温环境下工作时，转子稀土永磁体处于与磁化方向相反的强磁场中，在这种情况下，相反的磁场作用于所有的稀土永磁体上，发生可逆和不可逆退磁[13]。大部分永磁体不可逆退磁状况是由于高温引起的，文献[14]对永磁体高温退磁进行了详细的研究。

为防止高温退磁引起不必要的后果，文献[15]中提出了基于效率及温升的轴向磁通永磁电机优化设计。正如文献[16]中阐述，均匀退磁是永磁同步电机一种常见的退磁故障类型，有必要进一步研究。另一种类型的稀土永磁体退化是由于磁铁的局部缺陷造成的，这些缺陷可能起源于制造过程或机器操作过程中。由于制造工艺的缺陷和机器操作的不当使稀土永磁体产生裂纹或碎裂，或者是永磁体长时间处在不当环境中而被腐蚀或氧化。在永磁体局部缺陷的情况下，受影响的磁极可能在部分或全部永磁体退磁的情况下被激发，这两方面情况可能需要更长的时间加以探讨。篇幅有限，本文只围绕工作在高温环境下永磁同步发电机永磁体的均匀退磁故障诊断展开分析。

1 内置式永磁同步电机的性能分析

本文采用有限元仿真方法对健康和有不同退磁程度故障的稀土永磁同步发电机进行了性能分析。内置式稀土永磁同步发电机的横截面如图2所示。

图2 三相8 极21 槽分布式绕组型内置式永磁同步电机截面图

由图可知，本机为三相8 极21 槽分布式绕组型内置式永磁同步电机。红色绕组为A 相，黄色和黑色绕组分别为B 相和C 相。为减低内转子重量和转动惯量，并提高发电机通风性和散热性，内转子开有8 个五边形通孔。算例中采用的稀土永磁同步发电机（永磁体为内置式）尺寸和规格见表1。转子采用烧结的Sm2Co17 型磁体，永磁体物理电磁特性见表2。

表1 算例发电机的尺寸 mm

采用商用有限元仿真软件ANSYS Maxwell对永磁同步发电机性能进行了分析。发电机的有限元模型如图3 所示，有限元单元采用软件自适应网格技术自动生成的三角形离散单元。了解磁场的性质有助于确定机器中不同位置的网格密度。一般来说，在磁场变化很快的地方，网格密度应该更高。由于网格的密度尤其是定子与转子之间气隙的网络密度对解的精度有很大影响，为提高计算精度，在转子和定子间的气隙进行了自适应加密。

图3 内置式永磁同步电机有限元模型

利用电磁场的电磁解算器，计算了电机的磁通密度分布。图4 中的磁通图结果表明磁通分布均匀，机器在合理的条件下使用其磁场。磁通量密度分布图和磁通量密度矢量图分别如图5、图6 所示，图中的彩色标签显示特斯拉磁通密度值的大小。在正常工作条件下，剩余磁通密度约为1.07～1.13 tesla（见表2）。结果表明，磁通密度水平与磁体特性相对应。众所周知，性能最优的发电机在饱和区或饱和区附近工作。图5 中的磁通密度分布表明发电机内外转子，永磁体和气隙均不存在磁饱和问题，机器在最佳状态下稳定高效运行。上述结果表明本次模拟中使用的稀土永磁体材料的物理特性和尺寸规格都是合理的。

图4 内置式永磁发同步电机磁力线分布

图5 内置式永磁同步发电机磁通量密度分布

图6 内置式永磁同步发电机磁通量密度矢量分布

表2 Sm2Co17 的磁性和物理特性

为了成为能获得更高效稳定的电压，更轻微的振动和更低噪音的高质量的高速永磁同步发电机，从而能与航空发动机相联，必须对航空发电机转子运动产生的反电势波形进行准确估计，因为它与电磁转矩的产生和电机效率密切相关。下一节首先探讨永磁同步发电机不同程度的退磁对反电动势的影响，再探讨对脉动转矩和漏磁的影响。

2 内置式永磁同步电机的分析结果

若航空飞机永磁同步发电机的永磁体退磁，发电电压可能无法达到飞控系统和电传系统要求的正常幅值范围的电压，从而导致其无法正常工作，难以为飞机的电控系统供电提供稳定可靠的保障。当飞控系统负载变化不大时，飞机永磁发电机的发电电压取决于其反电动势。而反电动势取决于永磁励磁、绕组布置、机器结构和磁极齿槽组合，在绕组布置、机器结构和磁极齿槽组合都不变的情况下，只有永磁体状态变化才会导致反电动势的改变，从而影响到发电效率和输出电压。

永磁同步发电机中的磁场来源于两部分，一部分是定子线圈通电流产生，另一部分是转子的永磁体产生，公式如下：

正如文献[11]所提到的，当永磁发电机发生退磁故障时，发电机的反电动势会发生显著的变化，呈现出显著的故障特征，所以本文首先分析均匀退磁对反电势的影响，如图7 所示。仿真分析结果表明，均匀退磁使反电势减小，但不影响反电动势波形，反电动势不发生畸变。也就是说退磁能使发电电压降低，但不会产生多余的谐波分量。根据结果预估可知，退磁程度每增加10%，线路反电动势就会减少7%。

为更进一步推算退磁程度同反电动势之间的准确映射关系，由图7 可以获取不同退磁程度下的反电动势的峰值并且得到表3 的数据如表3 中。

表3 不同退磁程度下反电动势峰值

根据表3 的仿真数据，绘制图8 所示折线图表示退磁程度和反电动势峰值的相互映射关系，由图8 可以看出二者是近乎线性的映射关系。

图8 不同退磁程度内置式永磁同步发电机反电动势峰值

运用线性回归的方法就能得到二者映射关系的公式：

在任何类型的永磁同步发电机中，由于采用开槽定子结构，永磁体和定子之间的气隙磁阻随转子轭的旋转而变化，切向引力也会随转子位置而变化。因此，永磁同步发电机运转时会产生齿槽转矩。由于齿槽转矩与电机的永磁磁场分布直接相关，使齿槽转矩随均匀永磁退磁程度先升高再降低，如图9 所示。由此较难找出二者之间直接正相关或负相关的映射关系，以此为判断依据会比较容易产生误判，所以齿槽转矩不适合作为永磁电机退磁故障分析的参数。分析结果还发现，当永磁同步发电机没有退磁故障，即处于健康状态时，发电机的脉动转矩也很小，而且相位也有相应的超前。