余銀犬， 仲元昌， 涂文兵， 陳齊平， 楊錦雯

（1. 華東交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，南昌 330013；2. 華東交通大學(xué) 精密加工與智能裝備制造研究所，南昌 330013；3. 重慶大學(xué) 微電子與通訊工程學(xué)院，重慶 2400044）

引 言

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)體型越來(lái)越大，機(jī)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，飛機(jī)電控系統(tǒng)中的航空電子設(shè)備和電傳系統(tǒng)越來(lái)越多，對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的安全性[1]及發(fā)電機(jī)的能源效率比要求也越來(lái)越高，飛機(jī)電控系統(tǒng)如圖1 所示。因此，全電飛機(jī)和大飛機(jī)的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中高效率的永磁同步電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)（稀土永磁）的應(yīng)用是近年來(lái)研究的一個(gè)重要方向和趨勢(shì)。

圖1 飛機(jī)的動(dòng)力控制系統(tǒng)

永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）因其具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高、力矩慣量比高、能量密度高和調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[2]而被越來(lái)越多的新能源發(fā)電系統(tǒng)（水輪機(jī)發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電）、全電飛機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)所采用[3]。然而，飛機(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)是由渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫可能會(huì)引起飛機(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)的退磁。當(dāng)飛機(jī)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)生退磁故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其發(fā)電效率下降，發(fā)電電壓波動(dòng)大，供電質(zhì)量變差，嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致部分電控系統(tǒng)不工作和蓄電池能量管理系統(tǒng)（BMS）損壞，甚至導(dǎo)致異常振動(dòng)，振動(dòng)加大以至于損壞整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)。很多學(xué)者從事了這方面的探索，在永磁同步電機(jī)退磁方面取得了一定成果[4]。文獻(xiàn)[5]對(duì)永磁電機(jī)內(nèi)部熱場(chǎng)進(jìn)行了分析，計(jì)算了溫度和永磁體退磁之間的相互關(guān)系，文獻(xiàn)[6]通過(guò)分析電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用的永磁電機(jī)幾何構(gòu)造和尺寸，研究了其對(duì)永磁電機(jī)退磁的具體影響。與表貼式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)置式永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加安全可靠，因此在電動(dòng)汽車(chē)永磁電機(jī)、高速動(dòng)車(chē)永磁牽引電機(jī)和飛機(jī)發(fā)電機(jī)等對(duì)安全可靠性要求高的場(chǎng)合，永磁電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)均采用內(nèi)置式永磁結(jié)構(gòu)[7]。永磁同步電機(jī)退磁故障可以采用傳統(tǒng)的磁路分析法[8]、建立仿真模型的有限元法[9]或結(jié)合這兩種方法進(jìn)行分析[10]。隨著信號(hào)處理新技術(shù)和機(jī)器深度學(xué)習(xí)新算法的應(yīng)用，永磁電機(jī)退磁故障分析方法也由模型驅(qū)動(dòng)演變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。文獻(xiàn)[11]就應(yīng)用了基于時(shí)間?時(shí)間變換和極限學(xué)習(xí)機(jī)相結(jié)合的方法研究了永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的退磁故障識(shí)別和分類(lèi)，該方法特別適合于電機(jī)的批量消磁檢測(cè)和定期維護(hù)。文獻(xiàn)[12]中，采用信號(hào)S 變換的方法使得原始反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的可識(shí)別部分顯著增強(qiáng)，再通過(guò)粒子群算法對(duì)最小二乘支持向量機(jī)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以快速準(zhǔn)確地對(duì)永磁電機(jī)退磁故障進(jìn)行診斷。然而，永磁同步電機(jī)容易退磁的隱患一直未得到解決，大部分研究?jī)H停留在實(shí)驗(yàn)室用SIMULINK 對(duì)理想模型進(jìn)行仿真這一階段，嚴(yán)重影響了永磁同步發(fā)電機(jī)在航空領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

因此，本文采用有限元數(shù)值方法對(duì)不同程度均勻退磁的發(fā)電機(jī)及其直接受退磁影響的反電動(dòng)勢(shì)、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和漏磁等信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析。永磁體的退磁主要是由于高溫和定子電流過(guò)大引起的磁場(chǎng)逆作用。當(dāng)發(fā)電機(jī)在高溫環(huán)境下工作時(shí)，轉(zhuǎn)子稀土永磁體處于與磁化方向相反的強(qiáng)磁場(chǎng)中，在這種情況下，相反的磁場(chǎng)作用于所有的稀土永磁體上，發(fā)生可逆和不可逆退磁[13]。大部分永磁體不可逆退磁狀況是由于高溫引起的，文獻(xiàn)[14]對(duì)永磁體高溫退磁進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

為防止高溫退磁引起不必要的后果，文獻(xiàn)[15]中提出了基于效率及溫升的軸向磁通永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。正如文獻(xiàn)[16]中闡述，均勻退磁是永磁同步電機(jī)一種常見(jiàn)的退磁故障類(lèi)型，有必要進(jìn)一步研究。另一種類(lèi)型的稀土永磁體退化是由于磁鐵的局部缺陷造成的，這些缺陷可能起源于制造過(guò)程或機(jī)器操作過(guò)程中。由于制造工藝的缺陷和機(jī)器操作的不當(dāng)使稀土永磁體產(chǎn)生裂紋或碎裂，或者是永磁體長(zhǎng)時(shí)間處在不當(dāng)環(huán)境中而被腐蝕或氧化。在永磁體局部缺陷的情況下，受影響的磁極可能在部分或全部永磁體退磁的情況下被激發(fā)，這兩方面情況可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間加以探討。篇幅有限，本文只圍繞工作在高溫環(huán)境下永磁同步發(fā)電機(jī)永磁體的均勻退磁故障診斷展開(kāi)分析。

1 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的性能分析

本文采用有限元仿真方法對(duì)健康和有不同退磁程度故障的稀土永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了性能分析。內(nèi)置式稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的橫截面如圖2所示。

圖2 三相8 極21 槽分布式繞組型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)截面圖

由圖可知，本機(jī)為三相8 極21 槽分布式繞組型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)。紅色繞組為A 相，黃色和黑色繞組分別為B 相和C 相。為減低內(nèi)轉(zhuǎn)子重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并提高發(fā)電機(jī)通風(fēng)性和散熱性，內(nèi)轉(zhuǎn)子開(kāi)有8 個(gè)五邊形通孔。算例中采用的稀土永磁同步發(fā)電機(jī)（永磁體為內(nèi)置式）尺寸和規(guī)格見(jiàn)表1。轉(zhuǎn)子采用燒結(jié)的Sm2Co17 型磁體，永磁體物理電磁特性見(jiàn)表2。

表1 算例發(fā)電機(jī)的尺寸 mm

采用商用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)性能進(jìn)行了分析。發(fā)電機(jī)的有限元模型如圖3 所示，有限元單元采用軟件自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)自動(dòng)生成的三角形離散單元。了解磁場(chǎng)的性質(zhì)有助于確定機(jī)器中不同位置的網(wǎng)格密度。一般來(lái)說(shuō)，在磁場(chǎng)變化很快的地方，網(wǎng)格密度應(yīng)該更高。由于網(wǎng)格的密度尤其是定子與轉(zhuǎn)子之間氣隙的網(wǎng)絡(luò)密度對(duì)解的精度有很大影響，為提高計(jì)算精度，在轉(zhuǎn)子和定子間的氣隙進(jìn)行了自適應(yīng)加密。

圖3 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)有限元模型

利用電磁場(chǎng)的電磁解算器，計(jì)算了電機(jī)的磁通密度分布。圖4 中的磁通圖結(jié)果表明磁通分布均勻，機(jī)器在合理的條件下使用其磁場(chǎng)。磁通量密度分布圖和磁通量密度矢量圖分別如圖5、圖6 所示，圖中的彩色標(biāo)簽顯示特斯拉磁通密度值的大小。在正常工作條件下，剩余磁通密度約為1.07～1.13 tesla（見(jiàn)表2）。結(jié)果表明，磁通密度水平與磁體特性相對(duì)應(yīng)。眾所周知，性能最優(yōu)的發(fā)電機(jī)在飽和區(qū)或飽和區(qū)附近工作。圖5 中的磁通密度分布表明發(fā)電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子，永磁體和氣隙均不存在磁飽和問(wèn)題，機(jī)器在最佳狀態(tài)下穩(wěn)定高效運(yùn)行。上述結(jié)果表明本次模擬中使用的稀土永磁體材料的物理特性和尺寸規(guī)格都是合理的。

圖4 內(nèi)置式永磁發(fā)同步電機(jī)磁力線分布

圖5 內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機(jī)磁通量密度分布

圖6 內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機(jī)磁通量密度矢量分布

表2 Sm2Co17 的磁性和物理特性

為了成為能獲得更高效穩(wěn)定的電壓，更輕微的振動(dòng)和更低噪音的高質(zhì)量的高速永磁同步發(fā)電機(jī)，從而能與航空發(fā)動(dòng)機(jī)相聯(lián)，必須對(duì)航空發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的反電勢(shì)波形進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，因?yàn)樗c電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生和電機(jī)效率密切相關(guān)。下一節(jié)首先探討永磁同步發(fā)電機(jī)不同程度的退磁對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的影響，再探討對(duì)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和漏磁的影響。

2 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的分析結(jié)果

若航空飛機(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)的永磁體退磁，發(fā)電電壓可能無(wú)法達(dá)到飛控系統(tǒng)和電傳系統(tǒng)要求的正常幅值范圍的電壓，從而導(dǎo)致其無(wú)法正常工作，難以為飛機(jī)的電控系統(tǒng)供電提供穩(wěn)定可靠的保障。當(dāng)飛控系統(tǒng)負(fù)載變化不大時(shí)，飛機(jī)永磁發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓取決于其反電動(dòng)勢(shì)。而反電動(dòng)勢(shì)取決于永磁勵(lì)磁、繞組布置、機(jī)器結(jié)構(gòu)和磁極齒槽組合，在繞組布置、機(jī)器結(jié)構(gòu)和磁極齒槽組合都不變的情況下，只有永磁體狀態(tài)變化才會(huì)導(dǎo)致反電動(dòng)勢(shì)的改變，從而影響到發(fā)電效率和輸出電壓。

永磁同步發(fā)電機(jī)中的磁場(chǎng)來(lái)源于兩部分，一部分是定子線圈通電流產(chǎn)生，另一部分是轉(zhuǎn)子的永磁體產(chǎn)生，公式如下：

正如文獻(xiàn)[11]所提到的，當(dāng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)生退磁故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)發(fā)生顯著的變化，呈現(xiàn)出顯著的故障特征，所以本文首先分析均勻退磁對(duì)反電勢(shì)的影響，如圖7 所示。仿真分析結(jié)果表明，均勻退磁使反電勢(shì)減小，但不影響反電動(dòng)勢(shì)波形，反電動(dòng)勢(shì)不發(fā)生畸變。也就是說(shuō)退磁能使發(fā)電電壓降低，但不會(huì)產(chǎn)生多余的諧波分量。根據(jù)結(jié)果預(yù)估可知，退磁程度每增加10%，線路反電動(dòng)勢(shì)就會(huì)減少7%。

為更進(jìn)一步推算退磁程度同反電動(dòng)勢(shì)之間的準(zhǔn)確映射關(guān)系，由圖7 可以獲取不同退磁程度下的反電動(dòng)勢(shì)的峰值并且得到表3 的數(shù)據(jù)如表3 中。

表3 不同退磁程度下反電動(dòng)勢(shì)峰值

根據(jù)表3 的仿真數(shù)據(jù)，繪制圖8 所示折線圖表示退磁程度和反電動(dòng)勢(shì)峰值的相互映射關(guān)系，由圖8 可以看出二者是近乎線性的映射關(guān)系。

圖8 不同退磁程度內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)峰值

運(yùn)用線性回歸的方法就能得到二者映射關(guān)系的公式：

在任何類(lèi)型的永磁同步發(fā)電機(jī)中，由于采用開(kāi)槽定子結(jié)構(gòu)，永磁體和定子之間的氣隙磁阻隨轉(zhuǎn)子軛的旋轉(zhuǎn)而變化，切向引力也會(huì)隨轉(zhuǎn)子位置而變化。因此，永磁同步發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。由于齒槽轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的永磁磁場(chǎng)分布直接相關(guān)，使齒槽轉(zhuǎn)矩隨均勻永磁退磁程度先升高再降低，如圖9 所示。由此較難找出二者之間直接正相關(guān)或負(fù)相關(guān)的映射關(guān)系，以此為判斷依據(jù)會(huì)比較容易產(chǎn)生誤判，所以齒槽轉(zhuǎn)矩不適合作為永磁電機(jī)退磁故障分析的參數(shù)。分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)永磁同步發(fā)電機(jī)沒(méi)有退磁故障，即處于健康狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩也很小，而且相位也有相應(yīng)的超前。

圖9 不同退磁程度內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

漏磁計(jì)算結(jié)果如圖10 所示，眾所周知，永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)生均勻退磁后漏磁場(chǎng)幅值也會(huì)相應(yīng)減小，永磁體退磁程度越高，永磁發(fā)電機(jī)漏磁信號(hào)就越弱，二者是正相關(guān)的映射關(guān)系。

由圖10 可以獲取不同退磁程度下的發(fā)電機(jī)的漏磁峰值并在表4 中給出。

圖10 不同退磁程度內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機(jī)的漏磁

表4 不同退磁程度下永磁發(fā)電機(jī)漏磁峰值

根據(jù)表4 的仿真數(shù)據(jù)，繪制圖11 所示折線圖表示退磁程度和漏磁的相互映射關(guān)系，由圖11 可以看出二者是非線性的映射關(guān)系。漏磁信號(hào)隨退磁程度的增加而減弱。

圖11 不同退磁程度內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機(jī)的漏磁幅值

運(yùn)用非線性回歸的方法就能得到二者映射關(guān)系的公式：

當(dāng)退磁程度達(dá)到60%時(shí)，漏磁信號(hào)非常弱，非常接近地球的磁場(chǎng)（0.5～0.6 Gs），所以本算例采用的永磁同步發(fā)電機(jī)不適合用磁場(chǎng)傳感器探測(cè)漏磁場(chǎng)來(lái)在線檢測(cè)有嚴(yán)重退磁的永磁同步發(fā)電機(jī)退磁故障。

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)數(shù)字運(yùn)算得知，航空永磁同步發(fā)電機(jī)高溫退磁情況下，其反電動(dòng)勢(shì)、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和漏磁等信號(hào)均會(huì)發(fā)生變化，且退磁程度越高，反電動(dòng)勢(shì)和漏磁就越弱，因此航空永磁同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部退磁故障可以通過(guò)外部的電磁傳感器探測(cè)得到。

2) 當(dāng)永磁發(fā)電機(jī)退磁程度較為嚴(yán)重時(shí)，利用理論計(jì)算公式預(yù)測(cè)的結(jié)果精確性低，需要用現(xiàn)代數(shù)值仿真工具加以矯正。同時(shí)，漏磁信號(hào)在退磁程度相當(dāng)嚴(yán)重時(shí)由于信號(hào)相當(dāng)微弱，在環(huán)境磁場(chǎng)的干擾下會(huì)造成永磁發(fā)電機(jī)漏磁故障的誤診斷。

3) 本研究的數(shù)字運(yùn)算為發(fā)電機(jī)高溫退磁在線檢測(cè)和故障診斷提供了一定的理論補(bǔ)充和矯正。