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(diào)速范圍廣、可靠性高，很適合作為推進主電機應(yīng)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(xiàn)不同程度的降低，出現(xiàn)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(fā)生失磁，稱之為部分失磁或者局部失磁[1]。目前，關(guān)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(zhuǎn)速波動、系統(tǒng)收斂性能的影響。文獻[3]提出了基于轉(zhuǎn)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(shè)計了一種自適應(yīng)滑膜觀測器，依據(jù)滑膜變結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)，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(shè)置邊界條件、劃分網(wǎng)格等步驟，生成有限元模型。表1為永磁同步電機主要參數(shù)。

表1 永磁同步電機主要參數(shù)

2 均勻失磁故障設(shè)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(chǎn)生較大的短路電流，大電流會在電樞中產(chǎn)生去磁磁動勢，導致永磁體發(fā)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(shù)主要為磁感應(yīng)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(yīng)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(yīng)強度Br和矯頑力Hc，來改變磁感應(yīng)強度，進而模擬永磁體不同失磁狀態(tài)。本文選用的永磁體材料為釤鈷磁鋼XG196/96，其剩余磁感應(yīng)強度Br為0.96 T，矯頑力Hc為690 kA/m,且近乎以線性規(guī)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(cè)與定子電樞繞組徑向匝鏈，是實現(xiàn)電機能量轉(zhuǎn)換的重要區(qū)域。發(fā)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(fā)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(zhuǎn)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(fā)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(fā)現(xiàn)電機在額定轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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?；ㄔ龃?，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(zhuǎn)矩的影響

將永磁電機設(shè)置在額定轉(zhuǎn)速下工作，其他狀態(tài)

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(shù)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(zhuǎn)矩特性。

電機在正常恒定磁通下對應(yīng)一個轉(zhuǎn)矩常數(shù)K，其公式為：

(3)

式中：I為定子電流；T0是機械損耗轉(zhuǎn)矩；T是負載轉(zhuǎn)矩。

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

(4)

式中：IA為定子電流峰值。

電機剛啟動時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速穩(wěn)定運行時，將轉(zhuǎn)矩和相電流幅值的絕對值求平均值，并用公式(4)求得轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值，見表3。

表3 永磁同步電機不同失磁程度轉(zhuǎn)矩常數(shù)衰減值

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

3.3 不同失磁情況下定子電流分析

電機發(fā)生失磁故障，引起氣隙磁密改變，進而影響電機的電感，產(chǎn)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(nèi)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(yīng)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(fā)現(xiàn)(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(yīng)頻率范圍內(nèi)間諧波幅值由逐漸增大變成先增大后減小，靠近基頻左側(cè)的間諧波分量幅值越小。失磁程度超過50%，規(guī)律不再適用。將不同失磁程度定子電流基波幅值和m2對應(yīng)頻率數(shù)據(jù)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(yīng)頻率值也逐漸減小。當失磁程度超過50%時，此規(guī)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(nèi)電流間諧波幅值最小的值對應(yīng)的頻率也在逐漸減小，可作為失磁故障的判斷依據(jù)之一。

3.4 不同失磁情況下感應(yīng)電動勢分析

轉(zhuǎn)子角速度、永磁體產(chǎn)生的磁場、定子繞組匝數(shù)、氣隙會影響電機感應(yīng)電動勢。電機發(fā)生失磁故障時，永磁體產(chǎn)生的磁場變化引起感應(yīng)電動勢變化。不同失磁程度的電機感應(yīng)電動勢(A相)傅里葉變換結(jié)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(yīng)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(yīng)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(xiàn)逐漸降低的趨勢。感應(yīng)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(jié)束語

永磁同步電機在額定轉(zhuǎn)速下運行，隨著失磁程度增加，輸出轉(zhuǎn)矩，定子電流逐漸減小，轉(zhuǎn)矩常數(shù)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?。皇Т懦潭鹊陀?0%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(nèi)電流間諧波幅值最小值對應(yīng)的頻率也在逐漸減小；感應(yīng)電動勢基波幅值逐漸增大。以上規(guī)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(jù)。