永磁同步直線電機(jī)次級(jí)磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)綜述

摘 要：【目的】由于永磁同步直線電機(jī)省去了中間傳動(dòng)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)直驅(qū)式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具有推力密度大、效率高、能夠滿足高速大行程運(yùn)動(dòng)和微納米級(jí)動(dòng)態(tài)精度要求等優(yōu)點(diǎn)，在激光切割機(jī)、數(shù)控機(jī)床、３Ｄ打印機(jī)等高精密加工領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。永磁體作為永磁同步直線電機(jī)的重要組成部分，可為電機(jī)氣隙空間提供恒定的磁場(chǎng)環(huán)境。磁場(chǎng)分布的一致性與電機(jī)性能息息相關(guān)，因此需要及時(shí)檢測(cè)并更換故障永磁體以保證電機(jī)推力密度和功率密度的穩(wěn)定性。【方法】主要對(duì)永磁同步直線電機(jī)次級(jí)磁場(chǎng)檢測(cè)內(nèi)容進(jìn)行綜述性研究：對(duì)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和磁場(chǎng)的解析公式進(jìn)行了梳理；對(duì)磁場(chǎng)的變化機(jī)理和磁場(chǎng)故障發(fā)生的常見(jiàn)原因進(jìn)行了總結(jié)；對(duì)目前研究的永磁體局部退磁、均勻退磁、缺損和裂紋故障及不同故障磁場(chǎng)的建模方法，如解析法、有限元法和Ｍａｔｌａｂ建模法等進(jìn)行了介紹；對(duì)永磁同步直線電機(jī)次級(jí)磁場(chǎng)檢測(cè)所選擇的故障信號(hào)，如電流信號(hào)、磁密信號(hào)、電動(dòng)勢(shì)信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)和磁場(chǎng)信號(hào)等進(jìn)行了討論，指出其用于永磁同步直線電機(jī)時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。【結(jié)果】在對(duì)各類方法進(jìn)行梳理和歸納后，對(duì)相應(yīng)的研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)并發(fā)現(xiàn)，目前永磁同步直線電機(jī)磁場(chǎng)檢測(cè)多借助于磁場(chǎng)信號(hào)和特征提取方法實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)故障的離線診斷。【結(jié)論】為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化故障診斷和提高電機(jī)可靠性的目標(biāo)，在未來(lái)磁場(chǎng)故障診斷發(fā)展趨勢(shì)中，可以加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)勢(shì)、電流、磁密等實(shí)時(shí)采集信號(hào)的研究，以期實(shí)現(xiàn)退磁故障的在線檢測(cè)。同時(shí)需要開展具有高容錯(cuò)適應(yīng)性的容錯(cuò)控制策略研究，保證電機(jī)在發(fā)生退磁故障時(shí)，仍可以維持電機(jī)的輸出性能，進(jìn)而保證其可靠運(yùn)行。

關(guān) 鍵 詞：永磁同步直線電機(jī)；永磁體退磁；永磁體缺損；永磁體裂紋；磁場(chǎng)檢測(cè)；直驅(qū)式往復(fù)運(yùn)動(dòng)；電機(jī)氣隙；次級(jí)磁場(chǎng)

中圖分類號(hào)：ＴＭ３５９.４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號(hào)：１０００－１６４６（２０２５）０１－０００１－１３

作為推動(dòng)我國(guó)邁向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的行動(dòng)綱領(lǐng)，《中國(guó)制造２０２５》提出高級(jí)數(shù)控設(shè)備與機(jī)器人是當(dāng)前主要的發(fā)展目標(biāo)。永磁同步直線電機(jī)作為高精密數(shù)控機(jī)床的核心部件，其輸出性能嚴(yán)重影響高精密設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量，為了保證電機(jī)可靠性及高精度，亟須開展永磁同步直線電機(jī)次級(jí)磁場(chǎng)的檢測(cè)研究。釹鐵硼（ＮｄＦｅＢ）由于具有成本低、剩磁密度高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于永磁體制造，但隨著溫度的升高，永磁體磁性損失較大，在高溫環(huán)境下永磁體內(nèi)部磁疇分布遭到破壞，造成電機(jī)發(fā)生不可逆的局部或均勻退磁現(xiàn)象［１－３］。釹鐵硼的脆硬特性使其更容易腐蝕、產(chǎn)生裂紋甚至造成永磁體的損壞［４－７］。永磁體退磁、損壞和裂紋均會(huì)導(dǎo)致永磁體磁性能下降，破壞電機(jī)氣隙空間磁場(chǎng)的穩(wěn)定性，直接影響電機(jī)的推力平穩(wěn)性和電機(jī)控制精度。

作為不可逆退磁現(xiàn)象，電機(jī)中存在的局部退磁和均勻退磁對(duì)電機(jī)的影響最為嚴(yán)重，磁場(chǎng)畸變現(xiàn)象最為明顯，是現(xiàn)在廣泛研究的電機(jī)故障之一［８－９］。永磁體裂紋（尤其是內(nèi)部微裂紋）的產(chǎn)生可以歸因于永磁體生產(chǎn)加工中由于機(jī)械加工或裝配過(guò)程中的應(yīng)力集中、溫度變化引起的熱應(yīng)力，在電機(jī)裝配過(guò)程中由于貼裝永磁體造成的過(guò)度撞擊，以及在電機(jī)長(zhǎng)期使用過(guò)程中不斷受到的外部應(yīng)力作用［１０－１３］。這類微裂紋在電機(jī)的生產(chǎn)和使用過(guò)程中不易被發(fā)現(xiàn)。常規(guī)檢測(cè)手段，如磁粉檢測(cè)、目視檢測(cè)、超聲波檢測(cè)效果甚微，隨著電機(jī)的運(yùn)行上述微裂紋具有進(jìn)一步擴(kuò)展的趨勢(shì)，導(dǎo)致永磁同步直線電機(jī)永磁體片段發(fā)生斷裂、脫落，形成永磁體缺損故障并嚴(yán)重加劇電機(jī)的推力波動(dòng)。破損的永磁體容易使繞組受到損壞，造成電機(jī)的停機(jī)，甚至導(dǎo)致高精密設(shè)備的報(bào)廢［１４］。

不同退磁故障類型對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的影響程度不同，然而均存在電機(jī)輸出性能下降、可靠性降低的隱患，嚴(yán)重影響電機(jī)的壽命周期，因此，本文對(duì)永磁同步直線電機(jī)永磁體次級(jí)磁場(chǎng)檢測(cè)和故障診斷方法進(jìn)行綜述性研究。首先對(duì)永磁同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹；其次對(duì)幾種常見(jiàn)永磁體磁場(chǎng)檢測(cè)的故障類型和相應(yīng)的形成機(jī)制進(jìn)行了梳理；再次針對(duì)局部退磁、均勻退磁、永磁體缺損和永磁體裂紋故障的診斷方法，從已有文獻(xiàn)中總結(jié)分析研究方法和關(guān)鍵技術(shù)；最后對(duì)目前磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)未來(lái)永磁體磁場(chǎng)故障診斷的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，為后續(xù)故障診斷和故障發(fā)現(xiàn)后的容錯(cuò)控制提供重要參考。