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永磁同步電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、損耗少、功率密度高、電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍極為廣泛，遍及航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)和產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。目前，永磁電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷的拓展，風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等新能源領(lǐng)域也在大量使用永磁電機(jī)。因此，為了確保像電動(dòng)汽車這樣的應(yīng)用系統(tǒng)以及其它對(duì)可靠性要求更高的應(yīng)用領(lǐng)域的安全性，必須重視永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

嵌入電機(jī)內(nèi)的永磁體是永磁同步電機(jī)重要的結(jié)構(gòu)部件，它的磁性能直接影響永磁同步電機(jī)的效率、性能和可靠性。在溫度、電樞反應(yīng)及機(jī)械振動(dòng)等因素影響下，嵌入電機(jī)內(nèi)的永磁體可能會(huì)產(chǎn)生不可逆失磁，使電機(jī)性能急劇下降，甚至有可能導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)，對(duì)于像電動(dòng)汽車這樣的應(yīng)用系統(tǒng)，永磁電機(jī)的突然失磁是非常危險(xiǎn)的。因此，分析永磁同步電機(jī)的永磁體磁性能及失磁故障，對(duì)電機(jī)安全高效運(yùn)行具有十分重要的意義[1][2]。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)永磁材料的失磁機(jī)理和永磁同步電機(jī)的失磁故障進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)[3]對(duì)稀土永磁材料的交流失磁現(xiàn)象進(jìn)行研究，總結(jié)出稀土永磁材料表面磁感應(yīng)強(qiáng)度在不同頻率的交變磁場(chǎng)作用下隨時(shí)間的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[4]針對(duì)稀土永磁同步電機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后性能下降這一現(xiàn)象，分析了引起電機(jī)失磁的原因，提出了在檢修和運(yùn)行中避免失磁的一些有效方法。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于卡爾曼濾波器的永磁同步電機(jī)永磁體磁場(chǎng)狀況在線監(jiān)測(cè)方法。文獻(xiàn)[6][7]中通過(guò)建立參數(shù)模型或有限元模型來(lái)研究電機(jī)的失磁故障，提出了一些對(duì)永磁同步電機(jī)失磁故障的監(jiān)測(cè)方法。文獻(xiàn)[10]對(duì)失磁故障原因進(jìn)行了全面的分析，提出了離線和在線檢測(cè)方法。基于永磁體磁場(chǎng)狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可防止永磁電機(jī)失磁狀況的惡化，降低不可逆失磁程度。文獻(xiàn)[13]提出一種改進(jìn)的反電勢(shì)法，可用于永磁體磁鏈估計(jì)。 永磁同步電機(jī)失磁的發(fā)生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能穩(wěn)定問(wèn)題。永磁材料也具有失磁特性，當(dāng)嵌入電機(jī)內(nèi)作為勵(lì)磁磁極后，受電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫度、電樞反應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)以及其它因素的綜合影響，永磁體發(fā)生不可逆失磁的風(fēng)險(xiǎn)增加，導(dǎo)致電機(jī)的性能下降甚至使電機(jī)停轉(zhuǎn)。
1、機(jī)械與化學(xué)原因
引起永磁體失磁的機(jī)械方面的原因主要是發(fā)生劇烈振動(dòng)使永磁體破損、碎裂，磁疇的磁矩方向發(fā)生變化從而使永磁體磁性能下降?；瘜W(xué)失磁主要是由于永磁體表面處理不當(dāng)，或表面鍍層破壞導(dǎo)致永磁體暴露而銹蝕引起的。
2、溫度
溫度對(duì)永磁體的磁性能有很大的影響。在永磁體使用過(guò)程中，環(huán)境溫度處于變化中，其磁性能隨著溫度的變化而變化，在其它工作條件都正常僅溫度升高時(shí)，永磁體有可能產(chǎn)生不可逆失磁。
3、沖擊電流
電機(jī)發(fā)生短路故障或瞬時(shí)過(guò)載產(chǎn)生的沖擊電流都會(huì)引起同步電機(jī)失磁的發(fā)生。
4、渦流
在電機(jī)處于負(fù)載工況時(shí)，特別是高速弱磁時(shí)，電機(jī)的合成磁場(chǎng)存在大量諧波，將在永磁體表面產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致永磁體溫度升高，增加了永磁體的失磁風(fēng)險(xiǎn)。
5、去磁磁場(chǎng)
如果控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，在高速時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的去磁電流，可能導(dǎo)致永磁體失磁。 失磁對(duì)電機(jī)性能的影響 失磁對(duì)同步電動(dòng)機(jī)有很大危害。永磁電機(jī)中的永磁體失磁后,電機(jī)的性能下降，出力不足。如果失磁嚴(yán)重，電機(jī)將不能驅(qū)動(dòng)負(fù)載甚至被燒毀。
假定在某一恒定負(fù)載下，永磁體發(fā)生了不可逆失磁，磁性能就會(huì)降低，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)下降。如果電機(jī)負(fù)載不變，即要求輸出的電磁功率不變，必然會(huì)使功角增大和電流增加來(lái)產(chǎn)生與負(fù)載平衡的電磁力矩。隨著永磁同步電機(jī)不可逆失磁的產(chǎn)生，電機(jī)的鐵損和銅損都會(huì)增加，電機(jī)效率明顯下降[11]。

永磁同步電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)把空載反電動(dòng)勢(shì)設(shè)置在一個(gè)合理的范圍，以便節(jié)省永磁材料、提高功率因素和電機(jī)效率。失磁發(fā)生后，永磁體磁性能的改變直接影響氣隙磁場(chǎng)的分布，氣隙磁通的基波及諧波幅值也將發(fā)生改變。若電機(jī)仍以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將隨之發(fā)生改變?？蛰d感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)）是反應(yīng)電機(jī)永磁體磁性能最直接的變量。反電動(dòng)勢(shì)的大小不僅決定電機(jī)運(yùn)行于增磁狀態(tài)還是去磁狀態(tài)，而且對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都有很大的影響。研究反電動(dòng)勢(shì)的變化便可以直接掌握永磁體磁性能的變化。 永磁電機(jī)失磁的檢測(cè)方法 1、儀器檢測(cè) 文獻(xiàn)[4]中提出了用儀器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)來(lái)判斷電機(jī)是否失磁。主要檢測(cè)方法可分為以下幾個(gè)方面：
①特斯拉計(jì)
特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，可以方便地測(cè)試氣隙中的磁場(chǎng)、磁體的表面磁場(chǎng)和距磁體一定距離的磁場(chǎng)。測(cè)試時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)霍爾探頭，使之與磁場(chǎng)方向垂直。特斯拉計(jì)測(cè)試的磁場(chǎng)是霍爾片上的平均磁場(chǎng)，接近于點(diǎn)測(cè)試，可以測(cè)出磁場(chǎng)的不均勻性。
②磁通表
磁通表（韋伯計(jì)）是利用電磁感應(yīng)定律測(cè)量磁通量的直讀儀表。當(dāng)測(cè)試線圈從磁場(chǎng)中抽出時(shí)，磁通表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。線圈內(nèi)被測(cè)磁通或磁通密度可用儀表說(shuō)明書(shū)中給定的公式計(jì)算。用抽拉線圈方法可以測(cè)得線圈面積內(nèi)平均磁通密度或磁場(chǎng)值。
③直流磁特性測(cè)試儀
直流磁特性測(cè)試儀能夠同時(shí)測(cè)試材料的Br，Hc，其工作原理是用電子磁通計(jì)測(cè)出在外磁場(chǎng)作用下磁化強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，同時(shí)用另一電子磁通計(jì)或霍爾探頭測(cè)出空隙中磁場(chǎng)的變化，將信號(hào)分別輸入X—Y記錄儀的x端和y端，由此自動(dòng)記錄材料的退磁曲線和磁滯回線。
儀器檢測(cè)雖然簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)但并不準(zhǔn)確，不能對(duì)失磁機(jī)理進(jìn)行深入的分析。除上述方法之外，還有Matlab仿真，有限元分析法等。 2、Matlab仿真 Matlab提供了強(qiáng)大的信號(hào)處理能力和圖形處理能力，在此基礎(chǔ)上結(jié)合Matlab可視化編程功能對(duì)電機(jī)故障診斷中信號(hào)處理部分進(jìn)行可視化編程，使得信號(hào)處理過(guò)程簡(jiǎn)單方便，并且能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行多種變換，有利于診斷人員觀察故障特征，得出正確的故障診斷結(jié)果。 3、有限元分析法 有限元法是將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片地表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)，從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題變成離散的有限自由度問(wèn)題[9]。有限元法在20世紀(jì)40年代被提出后逐漸應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)和工程電磁分析領(lǐng)域，能對(duì)復(fù)雜的電磁場(chǎng)進(jìn)行高精度求解。它具有適應(yīng)復(fù)雜邊界條件或邊界形狀、較高的求解精度、能求解非線性問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，因此，特別適合求解電機(jī)這類邊界條件復(fù)雜、存在非線性材料的磁場(chǎng)問(wèn)題。
①電磁場(chǎng)有限元法
電磁場(chǎng)有限元法是對(duì)電磁場(chǎng)偏微分方程求數(shù)值解，它的求解步驟是首先將整個(gè)求解區(qū)域離散化，分割成許多小的區(qū)域，稱之為“單元”或者“有限元”。然后將偏微分方程的邊值問(wèn)題等價(jià)為條件變分問(wèn)題及泛函數(shù)求極值的問(wèn)題，利用剖分插值在單元上構(gòu)造插值函數(shù)，離散化變分問(wèn)題為普通多元函數(shù)的極值問(wèn)題，以及最終演變成求解一組多元代數(shù)方級(jí)組，這些方程的解就是待求邊值問(wèn)題的數(shù)值解。通過(guò)電磁場(chǎng)有限元法求得各點(diǎn)磁位后，再通過(guò)變換（即后處理）就可以得到分析所需要的力、轉(zhuǎn)矩、損耗、電抗、電動(dòng)勢(shì)等參數(shù)[11]。
②電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft介紹
如果借助有限元電磁場(chǎng)仿真元件，電機(jī)設(shè)計(jì)和故障分析會(huì)變得非常方便，其求解精度滿足工程要求，且速度相當(dāng)快。Ansoft是世界著名的商用電磁場(chǎng)有限元軟件之一，主要用于設(shè)計(jì)和分析各種電磁設(shè)備和機(jī)電設(shè)備，例如：電機(jī)、變壓器、傳感器及其它電磁設(shè)備。它基于麥克斯韋方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼猓哂胁僮鹘缑嬗押?，能夠進(jìn)行分布式計(jì)算和并行計(jì)算，求解準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。Ansoft能夠自動(dòng)自適應(yīng)產(chǎn)生適當(dāng)、高效和準(zhǔn)確的網(wǎng)格剖分，這種自動(dòng)自適應(yīng)剖分技術(shù)可以使有限元分析變得更簡(jiǎn)單。利用Ansoft軟件，可以分析電機(jī)在不同工況下的磁場(chǎng)分布情況，獲得各種性能參數(shù)曲線與數(shù)據(jù)。 總結(jié) 通過(guò)以上文獻(xiàn)資料的整理，大致確定了對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行失磁診斷的思路：基于功能強(qiáng)大的有限元電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行建模仿真，模擬其發(fā)生失磁故障，對(duì)失磁狀態(tài)下的空載反電動(dòng)勢(shì)頻譜進(jìn)行分析，并與正常狀態(tài)下的運(yùn)行情況進(jìn)行比較；同時(shí)分析電機(jī)在額定負(fù)載下失磁后一些狀態(tài)參數(shù)的變化情況

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