永磁同步電機轉子磁鋼退磁產生異響問題分析

何比干

（廣東省特種設備檢測研究院佛山檢測院，廣東佛山 528010）

0 引言

電梯是高層建筑交通運輸服務重要的機電一體化設備，其核心構成就是曳引機構，在電梯傳動系統中發揮核心作用［1］。隨著城市的高速發展，高層建筑迅速增多，使用者更加追求電梯系統的穩定性。目前在電梯領域里，永磁同步電機（PMSM）驅動的電梯已經獨占鰲頭，完全取代了傳統的交流異步電機。與其他類型的電機相比，永磁同步曳引機具有高效率、高功率密度、高轉矩慣量比、超強的過載能力、轉子結構多樣化等優點，引起業界的研究者和生產者的關注［2－3］。不過，永磁電機比起傳統的相關電機，該電機磁源的途徑主要為永磁體，如果電機發生故障，將對永磁體的性能造成重大影響甚至發生嚴重退磁，從而產生異響現象，輸出性能和承載能力明顯降低［4］。因此，對永磁同步電機轉子磁鋼退磁問題進行研究，揭示故障影響電機性能機理的程度，為診斷研究永磁電機的故障奠定理論基礎。本文以某小區高層電梯為例，在實際運行中出現轎廂抖動并發出很大的嗡鳴聲，利用聲級計對其進行檢測，顯示有故障隱患的曳引機空載時聲響高出正常曳引機的12～20 dB，經檢查后發現電梯所產生的異響問題，主要是溫度偏高、輸出電流偏高且呈鋸齒狀異常波動所致，體現了電機內不同構件溫度變化的規律，為診斷永磁體高溫退磁和永磁體電機異常噪聲的故障提供技術支撐。

1 檢驗案例

以某小區高層電梯為例，對轎廂的抖動問題進行現場檢查。在檢查過程中發現機房中電機在運行過程中有嗡鳴聲，聲音較高。利用聲級計檢測，發現故障曳引機空載運行過程中，異常聲音比較明顯，而且要比正常的高出12 ～20 dB（A），如圖1所示。

圖1 曳引機噪聲檢測對比

電梯處在重載運行中，轎廂會出現抖動情況，抖動比較劇烈，而且還會發生停電梯的情況。發生問題電梯的相關數據為：32 層32 站，速度額定為2 m／ s、載重額定為1000 kg，驅動電機是以永磁同步曳引機為基礎。電梯空載條件下，在上、下行過程中，可以在檢測中發現電流軌跡呈鋸齒狀，如圖2 所示。比起正常電梯，框內電梯的電流曲線顯現較大波動性，曲線不是平滑的。

圖2 上、下行檢測電流的曲線

在對溫度進行檢測時，曳引機外殼表面溫度較高，要比正常的高出5 ℃左右。這時工作人員在檢修期間，需要在發現故障之后，將主機拆開進行檢查，然后發現1 ／ 3 的曳引機轉子磁鋼片存在退磁現象，不存在退磁現象的磁鋼片磁場強度分布為280 mT，如圖3 所示；發生退磁的磁鋼片分布的磁場強度為30 mT，如圖4 所示，退磁磁鋼片強度最低的磁場如圖5 所示，顯示為0。

圖3 沒有退磁的磁鋼片

圖4 退磁的磁鋼片

圖5 完全退磁的磁鋼片

經過檢測之后表現的狀況為：在設計的時候部分退磁的磁鋼片，其磁場強度就難以達到規范要求，造成在運轉過程中電磁轉矩輸出過程中難以符合具體情況，導致電梯運行故障頻發［5］。

2 結構特點分析

同步電動機是永磁同步曳引機的基礎，相比于傳統蝸輪蝸桿式曳引機，在實際應用中整體效率更高，而且體積不大，且功率因數較高。磁鋼片是內部永磁材料結構的材料，可以不使用電刷、勵磁線圈等，在電梯制造中的應用十分廣泛。對永磁同步曳引機進行觀察與分析，缺陷情況與傳統電機存在較大差距［6］。

相比于一般的異步電機，永磁同步曳引機的定子在結構上既有區別又有共同點。共同點是需要將三相電流輸入，區別是組成材料結構為磁鋼片。永磁同步曳引機在實際運行過程中，磁鋼片均勻分布在定子一圈，在具體設計過程中，需要注意很多情況，比如磁鋼片剩磁密度Br 和矯頑力Hc 等技術參數。整體結構為瓦片式結構，在轉子的內表面圈貼著磁鋼片，轉子的鐵芯中也有存在瓦片式結構。按照轉子的結構，一般可以分為內轉子與外轉子型曳引機，具體如圖6～7 所示。兩者表現的特點如下：

圖6 內轉子型曳引機

（1）在具體的運行時間里，內轉子型曳引機的受力在具體的運行時間里較小，而且整體結構筆記簡單，且散熱方便，這是由于內轉子型曳引機有著良好的優點，而且在電機中比較常見，且應用十分廣泛［7］；

（2）單軸伸固定方式是外轉子型曳引機較常使用的方法，在實際應用中結構比較復雜，而且散熱不方便，應用中一般不會存在于大功率場合，外轉子型曳引機常見于無機房電梯中，主要原因是直徑比較小。

圖7 外轉子型曳引機

3 控制原理

永磁同步曳引機工作時的穩態相量如圖8 所示。

圖8 永磁同步曳引機工作時的穩態相量

由圖8 可知，曳引機電動勢Eo能夠在永磁體的磁鏈下求得；在曳引機負載運行狀態下，I為定子電流，定子電流I分解的前提基礎是必須在d、q軸坐標系中進行。此時則能夠分解為兩種電流分量：d軸與q軸，分別為Id、Iq，d軸下通過Id能夠產生磁鏈ψad、去磁磁勢，q軸下可以在Iq的作用下產生磁鏈ψaq、去磁磁勢，ψm為曳引機的合成磁鏈，永磁曳引機電動勢可以在ψm引起，為Em。對于Em而言，通過計算可以得到：Em＝jIdXd產生的電動勢＋ψaq產生的電動勢。曳引機的端電壓U則可以通過曳引機定子繞組的壓降ur得到。δ 為U與Eo的夾角；φ為U與I的夾角；β 為電流與q軸的夾角。通過d、q軸數學模型的構建，能夠對電流控制調速進行定性分析，鐵芯材料的渦流損害可以忽略不計，且不會受到磁滯損害，永磁同步曳引機的數學模型可以在永磁同步曳引機的數學模型構建，在構建時使用的理論為坐標變換理論，具體方程如下：

電壓方程：

式中：Ud、Uq分別為d、q軸上的電壓分量；Id、Iq分別為d、q軸上的電流分量；ωr為坐標系轉子電機角速度；ψd、ψq分別為磁體在d、q軸上的磁鏈。

縱、橫軸等效電樞電感可以分別記為Ld與Lq，永磁同步曳引機磁鏈方程為：

式中：ψd、ψq分別為永磁體在d、q軸上的磁鏈；Ld、Lq分別為d、q軸上的等效電樞電感；Id、Iq分別為d、q軸上的電流分量；ψf為永磁體產生的等效激磁磁鏈。

可以將原有的坐標教學變化，得到如下方程：

式中：Tem為電磁輸出轉矩；Pn為磁極對數。

運動方程式：

式中：J為系統總的轉動慣量；ω為電機機械角速度；B為摩擦阻尼系數；TL為負載轉矩。

由式（4）可以看出，在固定電梯轎廂載重之后，磁轉矩Te是唯一變量，常量是除去轉速以外的全部量。所以控制期間，電機轉速發揮著重要作用。

永磁同步曳引機選擇的主要控制方法是d、q軸系轉子磁鏈定向控制，要求將縱向電流改變為Id＝0，利用合理控制矢量策略，讓定子磁鏈空間與永磁磁鏈空間正交地實現，Id＝0 控制策略能夠實現他勵直流電機［8］。

4 永磁體退磁對曳引機的影響

永磁同步曳引機的d、q軸數學模型是永磁同步曳引機控制的基礎，改變電壓、電流和反電勢三者間的相位關系，可以對曳引機的運行狀態進行控制與改變。由于負載型存在不同，所以Id＝0，最大轉矩／電流控制是比較常見的控制方式。

永磁同步曳引機的控制模式表現為Id＝0（ψ ＝0），在該模式下，能夠保證內部電勢與電機電流是同步的，在沒有磁場控制的情況下，不會引起磁性、弱磁性；在ψ ＝0 的環境里，電磁繞組中沒有袪磁分量，轉矩的電流完全可以產生［9］。

ψ ＝0 方式下，圖9 所示為同步的電機矢量。經過實踐可以表現出下列特點。

圖9 永磁同步曳引機矢量

（1）定子磁場始終可以先行于轉子磁場。這種現象形成主要源于機械的影響，這樣就會出現轉子磁場滯后情況，也就是兩種磁場會同時運轉，而轉子磁場跟著前者運轉。

（2）轉子磁場與定子磁場一直呈現垂直（90°）。在該邏輯中，直流電機可以在ψ ＝0 控制條件下實現，這種方法在電梯領域匯總比較普遍使用。

如果呈現轉子磁場垂直于定子磁場，那么電磁轉矩方程為：

式中：Pn為極對數；ψf為永磁磁鏈；Iq為q軸電流分量。

為確保主機正常運行，需要增加電流輸出的頻率，無形增大了電機定子繞組線圈上電流的流過，發熱明顯增大，這樣就會讓電機工作期間的溫度變高［12］。磁鋼片部分退磁情況下，使得交變磁場也發生一定變化，電機三相電流出現紊亂的情況，曳引機定子電流可以在圖1 中看出，存在現劇烈波動情況。

通過上述分析，可以得到幾種結果：（1）在運行過程中，曳引機有異響聲；（2）牽引機三相電流高于正常運行，且比較距離波動大，存在嚴重的退磁情況，這樣就會出現短路而損壞電機的故障；（3）在運行過程中，會逐漸升高曳引機外殼表面溫度，容易超過正常溫度；（4）在電梯運行過程中，轎廂出現抖動情況。

5 結束語

綜上所述，磁鋼是永磁體同步無齒輪電梯曳引機的關鍵組成部分。不管磁鋼的不可逆退磁是怎樣引起的，都會導致磁鋼的磁性能嚴重地下降，從而發生牽引電機的過電流過熱現象。在本文中，通過電梯異響故障診斷分析，一旦曳引機運行過程中出現超高的溫度、很大的異響聲、偏高的輸出電流、顯現鋸齒狀的異常波動，就可以斷定為曳引機磁鋼片退磁引發的故障，從而及時判斷磁鋼失磁現狀，進行有效的故障排除，保證電梯永磁同步電機的正常、高效運行。