永磁同步电机转子磁钢退磁产生异响问题分析

何比干

（广东省特种设备检测研究院佛山检测院，广东佛山 528010）

0 引言

电梯是高层建筑交通运输服务重要的机电一体化设备，其核心构成就是曳引机构，在电梯传动系统中发挥核心作用［1］。随着城市的高速发展，高层建筑迅速增多，使用者更加追求电梯系统的稳定性。目前在电梯领域里，永磁同步电机（PMSM）驱动的电梯已经独占鳌头，完全取代了传统的交流异步电机。与其他类型的电机相比，永磁同步曳引机具有高效率、高功率密度、高转矩惯量比、超强的过载能力、转子结构多样化等优点，引起业界的研究者和生产者的关注［2－3］。不过，永磁电机比起传统的相关电机，该电机磁源的途径主要为永磁体，如果电机发生故障，将对永磁体的性能造成重大影响甚至发生严重退磁，从而产生异响现象，输出性能和承载能力明显降低［4］。因此，对永磁同步电机转子磁钢退磁问题进行研究，揭示故障影响电机性能机理的程度，为诊断研究永磁电机的故障奠定理论基础。本文以某小区高层电梯为例，在实际运行中出现轿厢抖动并发出很大的嗡鸣声，利用声级计对其进行检测，显示有故障隐患的曳引机空载时声响高出正常曳引机的12～20 dB，经检查后发现电梯所产生的异响问题，主要是温度偏高、输出电流偏高且呈锯齿状异常波动所致，体现了电机内不同构件温度变化的规律，为诊断永磁体高温退磁和永磁体电机异常噪声的故障提供技术支撑。

1 检验案例

以某小区高层电梯为例，对轿厢的抖动问题进行现场检查。在检查过程中发现机房中电机在运行过程中有嗡鸣声，声音较高。利用声级计检测，发现故障曳引机空载运行过程中，异常声音比较明显，而且要比正常的高出12 ～20 dB（A），如图1所示。

图1 曳引机噪声检测对比

电梯处在重载运行中，轿厢会出现抖动情况，抖动比较剧烈，而且还会发生停电梯的情况。发生问题电梯的相关数据为：32 层32 站，速度额定为2 m／ s、载重额定为1000 kg，驱动电机是以永磁同步曳引机为基础。电梯空载条件下，在上、下行过程中，可以在检测中发现电流轨迹呈锯齿状，如图2 所示。比起正常电梯，框内电梯的电流曲线显现较大波动性，曲线不是平滑的。

图2 上、下行检测电流的曲线

在对温度进行检测时，曳引机外壳表面温度较高，要比正常的高出5 ℃左右。这时工作人员在检修期间，需要在发现故障之后，将主机拆开进行检查，然后发现1 ／ 3 的曳引机转子磁钢片存在退磁现象，不存在退磁现象的磁钢片磁场强度分布为280 mT，如图3 所示；发生退磁的磁钢片分布的磁场强度为30 mT，如图4 所示，退磁磁钢片强度最低的磁场如图5 所示，显示为0。

图3 没有退磁的磁钢片

图4 退磁的磁钢片

图5 完全退磁的磁钢片

经过检测之后表现的状况为：在设计的时候部分退磁的磁钢片，其磁场强度就难以达到规范要求，造成在运转过程中电磁转矩输出过程中难以符合具体情况，导致电梯运行故障频发［5］。

2 结构特点分析

同步电动机是永磁同步曳引机的基础，相比于传统蜗轮蜗杆式曳引机，在实际应用中整体效率更高，而且体积不大，且功率因数较高。磁钢片是内部永磁材料结构的材料，可以不使用电刷、励磁线圈等，在电梯制造中的应用十分广泛。对永磁同步曳引机进行观察与分析，缺陷情况与传统电机存在较大差距［6］。

相比于一般的异步电机，永磁同步曳引机的定子在结构上既有区别又有共同点。共同点是需要将三相电流输入，区别是组成材料结构为磁钢片。永磁同步曳引机在实际运行过程中，磁钢片均匀分布在定子一圈，在具体设计过程中，需要注意很多情况，比如磁钢片剩磁密度Br 和矫顽力Hc 等技术参数。整体结构为瓦片式结构，在转子的内表面圈贴着磁钢片，转子的铁芯中也有存在瓦片式结构。按照转子的结构，一般可以分为内转子与外转子型曳引机，具体如图6～7 所示。两者表现的特点如下：

图6 内转子型曳引机

（1）在具体的运行时间里，内转子型曳引机的受力在具体的运行时间里较小，而且整体结构笔记简单，且散热方便，这是由于内转子型曳引机有着良好的优点，而且在电机中比较常见，且应用十分广泛［7］；

（2）单轴伸固定方式是外转子型曳引机较常使用的方法，在实际应用中结构比较复杂，而且散热不方便，应用中一般不会存在于大功率场合，外转子型曳引机常见于无机房电梯中，主要原因是直径比较小。

图7 外转子型曳引机

3 控制原理

永磁同步曳引机工作时的稳态相量如图8 所示。

图8 永磁同步曳引机工作时的稳态相量

由图8 可知，曳引机电动势Eo能够在永磁体的磁链下求得；在曳引机负载运行状态下，I为定子电流，定子电流I分解的前提基础是必须在d、q轴坐标系中进行。此时则能够分解为两种电流分量：d轴与q轴，分别为Id、Iq，d轴下通过Id能够产生磁链ψad、去磁磁势，q轴下可以在Iq的作用下产生磁链ψaq、去磁磁势，ψm为曳引机的合成磁链，永磁曳引机电动势可以在ψm引起，为Em。对于Em而言，通过计算可以得到：Em＝jIdXd产生的电动势＋ψaq产生的电动势。曳引机的端电压U则可以通过曳引机定子绕组的压降ur得到。δ 为U与Eo的夹角；φ为U与I的夹角；β 为电流与q轴的夹角。通过d、q轴数学模型的构建，能够对电流控制调速进行定性分析，铁芯材料的涡流损害可以忽略不计，且不会受到磁滞损害，永磁同步曳引机的数学模型可以在永磁同步曳引机的数学模型构建，在构建时使用的理论为坐标变换理论，具体方程如下：

电压方程：

式中：Ud、Uq分别为d、q轴上的电压分量；Id、Iq分别为d、q轴上的电流分量；ωr为坐标系转子电机角速度；ψd、ψq分别为磁体在d、q轴上的磁链。

纵、横轴等效电枢电感可以分别记为Ld与Lq，永磁同步曳引机磁链方程为：

式中：ψd、ψq分别为永磁体在d、q轴上的磁链；Ld、Lq分别为d、q轴上的等效电枢电感；Id、Iq分别为d、q轴上的电流分量；ψf为永磁体产生的等效激磁磁链。

可以将原有的坐标教学变化，得到如下方程：

式中：Tem为电磁输出转矩；Pn为磁极对数。

运动方程式：

式中：J为系统总的转动惯量；ω为电机机械角速度；B为摩擦阻尼系数；TL为负载转矩。

由式（4）可以看出，在固定电梯轿厢载重之后，磁转矩Te是唯一变量，常量是除去转速以外的全部量。所以控制期间，电机转速发挥着重要作用。

永磁同步曳引机选择的主要控制方法是d、q轴系转子磁链定向控制，要求将纵向电流改变为Id＝0，利用合理控制矢量策略，让定子磁链空间与永磁磁链空间正交地实现，Id＝0 控制策略能够实现他励直流电机［8］。

4 永磁体退磁对曳引机的影响

永磁同步曳引机的d、q轴数学模型是永磁同步曳引机控制的基础，改变电压、电流和反电势三者间的相位关系，可以对曳引机的运行状态进行控制与改变。由于负载型存在不同，所以Id＝0，最大转矩／电流控制是比较常见的控制方式。

永磁同步曳引机的控制模式表现为Id＝0（ψ ＝0），在该模式下，能够保证内部电势与电机电流是同步的，在没有磁场控制的情况下，不会引起磁性、弱磁性；在ψ ＝0 的环境里，电磁绕组中没有袪磁分量，转矩的电流完全可以产生［9］。

ψ ＝0 方式下，图9 所示为同步的电机矢量。经过实践可以表现出下列特点。

图9 永磁同步曳引机矢量

（1）定子磁场始终可以先行于转子磁场。这种现象形成主要源于机械的影响，这样就会出现转子磁场滞后情况，也就是两种磁场会同时运转，而转子磁场跟着前者运转。

（2）转子磁场与定子磁场一直呈现垂直（90°）。在该逻辑中，直流电机可以在ψ ＝0 控制条件下实现，这种方法在电梯领域汇总比较普遍使用。

如果呈现转子磁场垂直于定子磁场，那么电磁转矩方程为：

式中：Pn为极对数；ψf为永磁磁链；Iq为q轴电流分量。

为确保主机正常运行，需要增加电流输出的频率，无形增大了电机定子绕组线圈上电流的流过，发热明显增大，这样就会让电机工作期间的温度变高［12］。磁钢片部分退磁情况下，使得交变磁场也发生一定变化，电机三相电流出现紊乱的情况，曳引机定子电流可以在图1 中看出，存在现剧烈波动情况。

通过上述分析，可以得到几种结果：（1）在运行过程中，曳引机有异响声；（2）牵引机三相电流高于正常运行，且比较距离波动大，存在严重的退磁情况，这样就会出现短路而损坏电机的故障；（3）在运行过程中，会逐渐升高曳引机外壳表面温度，容易超过正常温度；（4）在电梯运行过程中，轿厢出现抖动情况。

5 结束语

综上所述，磁钢是永磁体同步无齿轮电梯曳引机的关键组成部分。不管磁钢的不可逆退磁是怎样引起的，都会导致磁钢的磁性能严重地下降，从而发生牵引电机的过电流过热现象。在本文中，通过电梯异响故障诊断分析，一旦曳引机运行过程中出现超高的温度、很大的异响声、偏高的输出电流、显现锯齿状的异常波动，就可以断定为曳引机磁钢片退磁引发的故障，从而及时判断磁钢失磁现状，进行有效的故障排除，保证电梯永磁同步电机的正常、高效运行。