永磁同步電機失磁故障仿真研究

王 琦，林治國，高海波，盛晨興，徐曉濱

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.杭州電子科技大學自動化學院，浙江 杭州 310018)

永磁同步電機體積小、重量輕、調速范圍廣、可靠性高，很適合作為推進主電機應用于船舶電力推進。 隨著電機使用年限的增加，永磁體勵磁性能會出現不同程度的降低，出現失磁故障，進而影響電機性能。失磁故障分為2種，一是磁鋼中所有磁極均勻失磁到一定程度，稱之為全部失磁或者均勻失磁，二是磁鋼中某個磁極發生失磁，稱之為部分失磁或者局部失磁[1]。目前，關于永磁電機失磁故障診斷的研究方法有很多。文獻[2]通過改變磁鏈來模擬失磁故障，研究失磁程度對電機啟動時間、轉速波動、系統收斂性能的影響。文獻[3]提出了基于轉矩測量和小波分析的方法，來判斷永磁電機失磁故障程度。文獻[4]設計了一種自適應滑膜觀測器，依據滑膜變結構控制原理，建立了估算永磁體磁鏈公式。

1 永磁同步電機模型

本文以一臺小型船用永磁同步電機為例，探究不同失磁程度的永磁體對電機性能的影響。采用ANSYS Maxwell軟件中自帶的RMxprt和Maxwell 2D模塊，選擇永磁同步電機模型，代入實驗對象的結構參數，生成電機模型。導入2D界面中，完成選擇分配材料、加載激勵源、設置邊界條件、劃分網格等步驟，生成有限元模型。表1為永磁同步電機主要參數。

表1 永磁同步電機主要參數

2 均勻失磁故障設置

高溫和大電流是導致永磁體失磁的主要原因。一些其他故障如匝間短路、相間短路會產生較大的短路電流，大電流會在電樞中產生去磁磁動勢，導致永磁體發生失磁故障。為了方便研究，本文將永磁體近似認為是均勻失磁，且忽略永磁體材料的電磁特性隨溫度的變化。表征永磁材料的永磁性能強弱參數主要為磁感應強度B：

B=-μ0Hc+Br，

(1)

式中：μ0為真空磁導率，其值為4π×10-7H/m；Hc為永磁材料的矯頑力;Br為剩余磁感應強度。

由公式(1)可知，通過等比例改變永磁材料的剩余磁感應強度Br和矯頑力Hc，來改變磁感應強度，進而模擬永磁體不同失磁狀態。本文選用的永磁體材料為釤鈷磁鋼XG196/96，其剩余磁感應強度Br為0.96 T，矯頑力Hc為690 kA/m,且近乎以線性規律變化。改變Br和Hc大小[5]，模擬永磁同步電機不同失磁程度。

3 永磁電機失磁對電機性能的影響

3.1 失磁故障對氣隙徑向磁密的影響

氣隙磁通可分解成徑向和切向2個方向，徑向磁密會進入定子側與定子電樞繞組徑向匝鏈，是實現電機能量轉換的重要區域。發生失磁故障后，永磁體性能的改變會直接影響氣隙磁場，導致氣隙徑向磁密的基波及諧波幅值發生變化。氣隙徑向磁密是衡量電機性能的重要指標，在模型上的定子與轉子間畫圓，利用徑向磁密公式(2)求取圓的徑向磁密。

Bo=BX×cosθ+BY×sinθ,

(2)

式中：Bo為徑向磁密；BX為磁密的X軸分量，BY為磁密的Y軸分量；θ為柱坐標中XY面的夾角。

圖1(a)為永磁電機正常情況氣隙徑向磁密波形圖，圖1(b)為失磁50%情況下氣隙徑向磁密波形圖。橫坐標為氣隙徑向相對位置，縱坐標為磁通密度。

圖1 正常情況和失磁50%氣隙徑向磁密波形圖

從圖1(a)中可以看出，電機在正常工作時，氣隙徑向磁密波形整體分布均勻，磁密峰值為0.984 T。而圖1(b)中失磁50%氣隙磁密圖形發生明顯畸變，磁密峰值為0.863 T。通過對比多組不同失磁程度的氣隙磁密圖形，發現電機在額定轉速下運行時，隨著失磁程度的加劇，氣隙磁密峰值逐漸減小，磁密分布不均勻程度增加，波形畸變越來越嚴重。為進一步研究，對不同程度失磁的氣隙磁密波形圖進行傅里葉分析，將永磁同步電機在不同失磁故障氣隙徑向磁密諧波值提取出來，見表2。

表2數據表明，隨著失磁程度的加劇，基波幅值越來越大，3次諧波幅值基本不變，11次諧波逐漸減小。基波增大，11次諧波減小可作為均勻失磁故障特征之一。

3.2 失磁故障對輸出轉矩的影響

將永磁電機設置在額定轉速下工作，其他狀態

表2 永磁同步電機不同失磁故障氣隙徑向磁密諧波大小

參數保持不變，研究正常情況及不同失磁程度故障下的電機輸出轉矩特性。

電機在正常恒定磁通下對應一個轉矩常數K，其公式為：

(3)

式中：I為定子電流；T0是機械損耗轉矩；T是負載轉矩。

在電機實際工作過程中，機械損耗轉矩難以直接得出，為方便研究，引用轉矩常數Kt衰減值[6]：

(4)

式中：IA為定子電流峰值。

電機剛啟動時，轉矩和電流波動較大，當不同失磁故障的永磁同步電機額定轉速穩定運行時，將轉矩和相電流幅值的絕對值求平均值，并用公式(4)求得轉矩常數衰減值，見表3。

表3 永磁同步電機不同失磁程度轉矩常數衰減值

從表3知，失磁故障對輸出轉矩大小以及相電流幅值影響很大。輸出轉矩及相電流幅值隨著失磁程度的增加不斷減小，其比值轉矩常數衰減值逐漸增大。永磁同步電機在額定轉速下運行時，轉矩常數衰減值的變化也可作為失磁程度的判斷依據之一。

3.3 不同失磁情況下定子電流分析

電機發生失磁故障，引起氣隙磁密改變，進而影響電機的電感，產生定子電流諧波。通過有限元分析得到定子電流隨時間變化圖形，對電機A相繞組電信號進行傅里葉分析，得到A相電流頻譜圖。 圖2是不同失磁情況下定子電流傅里葉分析圖，m1是基頻幅值，m2是零到基頻范圍內最小的電流間諧波幅值。由圖2(a)可知，電機正常情況下，在m2與m1對應頻率之間，隨著頻率的增加，間諧波幅值逐漸增大。對比圖2所有圖形，發現(a)到(f)即失磁程度低于50%時，隨著失磁故障程度增加，m2與m1對應頻率范圍內間諧波幅值由逐漸增大變成先增大后減小，靠近基頻左側的間諧波分量幅值越小。失磁程度超過50%，規律不再適用。將不同失磁程度定子電流基波幅值和m2對應頻率數據匯總，見表4。

由表4知，在失磁程度低于50%時，隨著失磁程度的增加，基波幅值一直減小。m2對應頻率值也逐漸減小。當失磁程度超過50%時，此規律不再適用。在失磁程度低于50%時，基波幅值隨失磁程度增加逐漸減小，在零到基頻范圍內電流間諧波幅值最小的值對應的頻率也在逐漸減小，可作為失磁故障的判斷依據之一。

3.4 不同失磁情況下感應電動勢分析

轉子角速度、永磁體產生的磁場、定子繞組匝數、氣隙會影響電機感應電動勢。電機發生失磁故障時，永磁體產生的磁場變化引起感應電動勢變化。不同失磁程度的電機感應電動勢(A相)傅里葉變換結果見表5。

表4 永磁同步電動機不同失磁程度定子電流傅里葉分析

圖2 不同失磁情況下定子電流傅里葉分析

表5 A相感應電動勢各諧波幅值隨失磁程度的變化表

從表5可見，隨著永磁同步電機失磁程度的增加，感應電動勢基波幅值逐漸增加，但3次諧波的幅值先逐漸增大，失磁超過50%以上又呈現逐漸降低的趨勢。感應電動勢基波幅值越大，失磁程度越大，可作為判斷失磁故障的特征之一。

4 結束語

永磁同步電機在額定轉速下運行，隨著失磁程度增加，輸出轉矩，定子電流逐漸減小，轉矩常數衰減值逐漸增大；氣隙磁密基波逐漸增大，3次諧波幅值基本不變，11次諧波逐漸減小；失磁程度低于50%時，隨失磁程度增加，定子電流基波幅值逐漸減小，在零到基頻范圍內電流間諧波幅值最小值對應的頻率也在逐漸減小；感應電動勢基波幅值逐漸增大。以上規律可作為故障特征，為永磁同步電機失磁故障早期診斷提供依據。