永磁同步电机失磁故障电磁仿真分析

陈胜利,王新掌,许孝卓

(1.河南理工大学 电气工程与自动化学院,河南 焦作454000;2.直驱电梯-河南省工程技术研究中心,河南 焦作454000)

永磁同步电机利用永磁材料产生机电能量转换所需的磁场，不需要励磁电流，与电励磁式同步电机相比效率更高，功率密度更大，性能更好[1]。同时，永磁同步电机具有结构简单、效率高、功率因数高、损耗小等特点，被广泛用于各种行业的高效电机[2]。然而，由于永磁同步电机内的永磁材料易受内部和外界因素的影响，导致永磁材料不同程度的失磁，进而影响电机的性能。永磁材料的失磁故障一直是永磁同步电机中最主要的问题之一，因此对永磁同步电机永磁材料失磁故障的分析有着重要意义[3]。目前，有大量研究对永磁体退磁的原因进行了分析，例如，高温退磁和偏心引起的震动退磁、化学腐蚀、强磁场退磁、时效退磁等。文献[4]采用基于转矩测量的小波分析法，判断永磁退磁程度。文献[5]设计了一种滑模观测器，依照滑模变结构控制原理来估算永磁体磁链式。文献[6]通过深入探究不均匀气隙的永磁同步电机，研究了不同负载对永磁材料最小工作点的各方面影响。文献[7]使用有限元法分析计算永磁体最小工作点和平均工作点以及最大退磁点，然后对比了电机不同运行状态下的永磁体退磁特点。文献[8～9]分析了永磁同步电机永磁体退磁机理以及退磁故障发生之后的电机电磁转矩和气隙磁密的变化。文献[10～11]分析了永磁伺服电机永磁体退磁后气息磁场的变化影响不平衡磁场力产生，导致电机机械振动。文献[12～14]分析了在电机定子线圈不同匝间短路情况下，永磁体的失磁情况。文献[15]分析了电机失磁对损耗的影响，表明电机在失磁故障发生后，电机损耗将增加，电机温度增加，导致过载能力下降，电机性能降低。所以，永磁同步电机失磁故障研究在电机研究领域具有重要的意义[16-17]。

1 电机结构参数及其有限元模型

本文以一台3 kW，220 V，6极，36槽三相永磁同步电机为例进行研究。该电机转子结构为内转子，永磁为表贴式6 mm厚度，充磁方式为径向充磁。表1为实验电机主要参数。

表1 实验样机主要参数

运用Asoft Maxwell电磁场有限元仿真软件建立了永磁同步电机仿真模型，该有限元仿真模型的1/6二维平面模型如图1所示。

图1 实验样机有限元仿真2维模型

电机内部的电磁场分布复杂，为了准确地探究永磁同步电机退磁故障对电机性能的影响，本文对不同退磁程度对电机性能的影响规律进行了研究。本文依照电机实际构造，建立了电机二维分析模型。考虑到实际电机构造较为复杂，本文对电机模型进行简化和理想化假设：(1)材料皆为各向同性；(2)位移电流忽略不计；(3)采用二维模型，假设z轴分量为零；(4)材料磁导率恒定，不随外界环境变化。

电磁分析采用时步有限元计算方法，确定实验电机的二维数学模型，如式(1)所示。

(1)

式中，Ω表示求解区域；P1表示电机定子外圆和转子轴边界；P2表示永磁体外边界；AZ表示磁矢量；μ表示磁导率，单位为H·m-1；σ表示电导率，单位为S·m-1；t表示时间，单位为ms；η1和η2表示永磁体边界内外两侧的材料磁导率,单位为H·m-1；JZ表示外加轴向电流密度，单位为S·m-2；JS表示永磁体等效电流密度,单位为S·m-2。

2 建立故障模型

由于在实际工程运用中，永磁体失磁受到很多外界和内在因素的影响，导致退磁的实质为非线性变化。本文为了降低建模的复杂程度，认为永磁体退磁为等比例的均匀失磁，并且忽略温度对永磁体电磁特性的影响。永磁材料的磁感应强度B为

B=-μ0Hc+Br

(2)

式中，μ0为真空下的磁导率，大小为4π×10-7H·m-1；Hc为永磁体矫顽力；Br为永磁体剩余磁感应强度，单位为T。本文通过改变矫顽力Hc和剩余磁感应强度Br的大小来模拟永磁体退磁故障，建立电机故障模型，进行有限元分析。

2.1 电机失磁和正常情况下的气隙云图

图2和图3分别为电机永磁体正常不失磁情况下的磁场强度云图和磁力线分布。图4和图5分别是永磁体失磁60%情况下的磁场强度云图和磁力线分布。从以上结果可以看出当永磁体失磁发生后，相应的电机内部磁场强度会减小，磁力线也会变得稀疏。

图2 永磁体正常状态下的电机磁场强度云图

图4 永磁体失磁60%状态下的电机磁场强度云图

图5 永磁体失磁60%状态下的磁力线分布

3 永磁同步电机永磁体失磁对电机性能的影响

3.1 永磁同步电机永磁体退磁故障下气隙磁场分析

电机采用的稀土永磁材料为钕铁硼，其退磁曲线近似为一条直线，永磁体剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc近似为线性变化，因此失磁状态下永磁体的Br和Hc等比例减小。气隙磁场是对电机设计和结构参数评估环节重要的分析步骤，所以准确分析电机气隙磁场十分必要。图6和图7分别为正常和失磁60%下永磁体的经向气隙磁密曲线。图8为电机永磁体在不同程度退磁状态下空载和负载运行的气隙磁场密度最大值曲线。

图6 空载状态下正常永磁体下的经向气隙磁密

图7 空载状态下永磁体失磁60%的经向气隙磁密

图8 不同失磁状态下的空载、负载运行下的气隙磁密变化曲线

由图6图7可知，电机在空载及永磁材料正常的状态下，经向气隙磁场最大值为812.45 mT。在永磁材料退磁50%时，气隙磁场最大值减小为431.58 mT，衰减为正常永磁的53.0%。随着退磁程度的增加，气隙磁场最大值近乎成线性减小趋势，这是因为空载状态下气隙磁场为永磁体单独励磁磁场。

与空载状态相比，永磁同步电机负载运行状态过程中，气隙磁场的最大值受永磁材料退磁程度变化的影响相对比较缓慢。在永磁体正常状态下，电机负载运行的气隙磁场最大值为1 024.70 mT。随着永磁退磁程度的增加，气隙磁场最大值近乎成线性减小。在50%的退磁程度下，气隙磁场最大值为821.30 mT，衰减了19.8%。在退磁程度达到50%时曲线出现拐点。退磁程度大于50%之后，随退磁程度的增加，气隙磁场最大值的降低趋势变缓。这是因为在退磁50%以上之后，电枢磁场在对气隙磁场影响比重增加，而永磁磁场占比减小，导致在退磁50%出现拐点。

3.2 永磁同步电机永磁体退磁故障感应电压、电流分析

永磁同步电机发生退磁故障时，永磁体可能是均匀失磁，也可能是局部退磁。为了研究不同退磁程度对感应电势和电流的影响，本实验模型忽略永磁退磁的复杂性，认为永磁体为均匀失磁，得出了不同退磁程度下的感应电势和电流变化结果。

在仿真过程中，为了探究永磁体退磁对电机性能的影响，保持电机运行的各项参数(电压、功角、温度等)恒定，仅改变永磁体矫顽力和剩余磁感应强度，并在此基础上得到了感应电势、电流随永磁体退磁程度变化的趋势。

由图9结果可知，在永磁同步电机永磁体正常的情况下，电机空载电动势为265.5 V。而在退磁率达到70%时，空载感应电势仅为82.0 V。当永磁体退磁程度增加时，空载感应电势近似成线性减小。这是因为当电机永磁体失磁之后，永磁体产生的磁场变弱，气隙磁场也相应降低，使得电机内有效磁通降低，空载感应电势减小。

图9 空载感应电压随失磁程度变化

图10结果显示，永磁电机电流变化和空载感应电势截然不同，电流随着电机永磁材料退磁程度的增加而增加，且增加速率也随永磁失磁程度增加变快。在永磁体正常情况下，电机电流为18.8 A。在永磁体失磁程度达到70%时，电机电流增大为53.2 A，约为为正常情况下的3倍。

图10 不同失磁状态下的电流变化曲线

由表2可知，随着永磁材料失磁程度的增加，电机感应电势基波和谐波都不同程度减小，其中基波减小的程度最大，每失磁10%，基波平均减小26.70 V；3次谐波平均减小1.49 V；5次谐波平均减小0.70 V。该实验结果数据可以作为永磁同步电机失磁故障诊断的数据来源。

表2 电机感应电势基波和谐波随失磁程度变化

3.3 永磁同步电机永磁体退磁对转矩的影响

电磁转矩是评价电机性能的重要指标之一，转矩不仅受到电压电流影响，而且与电机结构、转速和永磁体有着很大关系。电机电磁转矩计算式为

(3)

式中，Tem表示电磁转矩；Pem表示电磁功率；Ω表示电角速度；P表示电机极对数。由式(3)可知，在电机转速、功角和电压一定时，电机电磁转矩和感应电压成正相关。通过控制其他参数保持恒定，将电机设定在额定电压下工作，改变永磁体退磁比例，研究不同程度的退磁对电机输出转矩的影响。

图11曲线为电机转子永磁体分别在正常和失磁10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%状态下的电磁转矩曲线。图12为在不同退磁程度下的最大输出转矩和平均转矩对比。由图可知，在永磁体正常的情况下，电机最大输出转矩为83.69 N·m。但在永磁体退磁70%时，电机的最大输出转矩仅为43.72 N·m。

图11 不同失磁程度下的转矩曲线图

图12 不同失磁比例下的最大转矩、平均转矩变化曲线

永磁同步电机最大输出转矩和额定输出转矩的比值为电机的过载能力，比值越大，说明电机的过载能力越强。当永磁体没有发生退磁且磁性正常时，电机的过载能力为1.32。当失磁为50%时，电机的过载能力为0.98，此时永磁电机已无法达到额定转矩输出状态。该结果可作为电机故障诊断的重要依据。

3.4 永磁同步电机永磁体退磁对损耗的影响

电机的损耗对电机温升效应有着决定性作用，因此，研究失磁故障对电机损耗的影响有重要的实际意义，可以解决电机温升系列问题。

通过表3可以看出随着永磁体失磁程度的增加，铜耗迅速增加，升高幅度非常明显，铁耗变化平缓，但总体上呈下降趋势。由于铜耗变化的原因，电机总损耗增大明显。由此得出，当永磁电机永磁体发生失磁故障时，电机的损耗会相应的增大，导致温升效应明显，电机温度增大，寿命减短。

表3 永磁体不同失磁程度对电机损耗的影响

4 结束语

永磁电机在永磁体发生失磁故障的情况下，电机会受到如下影响：(1)电机的气隙磁场强度下降，气隙磁场减小导致无法提供足够的磁场，以至于电机电磁转矩下降，从而影响电机效率；(2)由于永磁体励磁效果减弱，电机空载反电势减小；(3)感应电压增大且电流增加，这将直接导致电机损耗急剧增加，电机发热增加，甚至导致电机烧坏。

在此研究结果的基础上，未来将把研究重点放在对永磁同步电机的温度场分析和永磁体失磁的故障诊断等方面。研究人员将通过分析电机失磁温度场，得到电机的温度场模型，将温度场的结果和电磁场进行耦合分析，从而进一步分析永磁体高温失磁和失磁后损耗增加的相互影响，并分析电机达到最终稳态时的温度场和电磁场状态，探究电机永磁体失磁后的耦合场的运行机理，以期为永磁同步电机永磁体失磁故障的预防和诊断提供理论依据。