关于永磁同步电机失磁故障的对策,以及常见的分析方向

2018-01-29 10:11:00 asycn 67

永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、 电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点,应用范围极为广泛,遍及航空航天、 国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前,永磁电机的应用领域仍在不断的拓展,风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此,为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性,必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。



嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件,它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下,嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁,使电机性能急剧下降,甚至有可能导致电机停转,对于像电动汽车这样的应用系统,永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此,分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障,对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。


国内外研究现状


近年来,国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究,总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象,分析了引起电机失磁的原因,提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障,提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析,提出了离线和在线检测方法。 基于永磁体磁场状况的动态监测,可防止永磁电机失磁状况的恶化,降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法,可用于永磁体磁链估计。


永磁同步电机失磁的发生


任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特性,当嵌入电机内作为励磁磁极后,受电机运行时温度、电枢反应、机械振动以及其它因素的综合影响,永磁体发生不可逆失磁的风险增加,导致电机的性能下降甚至使电机停转。


1、机械与化学原因

引起永磁体失磁的机械方面的原因主要是发生剧烈振动使永磁体破损、碎裂,磁畴的磁矩方向发生变化从而使永磁体磁性能下降。化学失磁主要是由于永磁体表面处理不当,或表面镀层破坏导致永磁体暴露而锈蚀引起的。


2、温度

温度对永磁体的磁性能有很大的影响。在永磁体使用过程中,环境温度处于变化中,其磁性能随着温度的变化而变化,在其它工作条件都正常仅温度升高时,永磁体有可能产生不可逆失磁。


3、冲击电流

电机发生短路故障或瞬时过载产生的冲击电流都会引起同步电机失磁的发生。


4、涡流

在电机处于负载工况时,特别是高速弱磁时,电机的合成磁场存在大量谐波,将在永磁体表面产生涡流,导致永磁体温度升高,增加了永磁体的失磁风险。


5、去磁磁场

如果控制系统不稳定,在高速时会产生过大的去磁电流,可能导致永磁体失磁。


失磁对电机性能的影响


失磁对同步电动机有很大危害。永磁电机中的永磁体失磁后,电机的性能下降,出力不足。如果失磁严重,电机将不能驱动负载甚至被烧毁。


假定在某一恒定负载下,永磁体发生了不可逆失磁,磁性能就会降低,剩余磁感应强度会下降。如果电机负载不变,即要求输出的电磁功率不变,必然会使功角增大和电流增加来产生与负载平衡的电磁力矩。随着永磁同步电机不可逆失磁的产生,电机的铁损和铜损都会增加,电机效率明显下降[11]。



永磁同步电机在设计时,通常会把空载反电动势设置在一个合理的范围,以便节省永磁材料、提高功率因素和电机效率。失磁发生后, 永磁体磁性能的改变直接影响气隙磁场的分布,气隙磁通的基波及谐波幅值也将发生改变。若电机仍以额定转速旋转,在定子绕组中产生的感应电动势将随之发生改变。空载感应电动势(反电动势)是反应电机永磁体磁性能最直接的变量。反电动势的大小不仅决定电机运行于增磁状态还是去磁状态,而且对电机的动态性能和稳态性能都有很大的影响。研究反电动势的变化便可以直接掌握永磁体磁性能的变化。


永磁电机失磁的检测方法


1、仪器检测

文献[4]中提出了用仪器检测电动机的气隙磁场来判断电机是否失磁。主要检测方法可分为以下几个方面:


①特斯拉计

特斯拉计(高斯计)是根据霍尔效应制成的,可以方便地测试气隙中的磁场、磁体的表面磁场和距磁体一定距离的磁场。测试时,转动霍尔探头,使之与磁场方向垂直。特斯拉计测试的磁场是霍尔片上的平均磁场,接近于点测试,可以测出磁场的不均匀性。


②磁通表

磁通表(韦伯计)是利用电磁感应定律测量磁通量的直读仪表。当测试线圈从磁场中抽出时,磁通表指针发生偏转。线圈内被测磁通或磁通密度可用仪表说明书中给定的公式计算。用抽拉线圈方法可以测得线圈面积内平均磁通密度或磁场值。


③直流磁特性测试仪

直流磁特性测试仪能够同时测试材料的Br,Hc,其工作原理是用电子磁通计测出在外磁场作用下磁化强度或磁感应强度的变化,同时用另一电子磁通计或霍尔探头测出空隙中磁场的变化,将信号分别输入 X—Y 记录仪的x 端和y 端,由此自动记录材料的退磁曲线和磁滞回线。


仪器检测虽然简单易实现但并不准确,不能对失磁机理进行深入的分析。除上述方法之外,还有Matlab 仿真,有限元分析法等。


2、Matlab 仿真

Matlab 提供了强大的信号处理能力和图形处理能力,在此基础上结合 Matlab可视化编程功能对电机故障诊断中信号处理部分进行可视化编程,使得信号处理过程简单方便,并且能够对信号进行多种变换,有利于诊断人员观察故障特征,得出正确的故障诊断结果。



3、有限元分析法

有限元法是将连续的求解域离散为一组单元的组合体,用在每个单元内假设的近似函数来分片地表示求解域上待求的未知场函数,从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题[9]。有限元法在 20 世纪40 年代被提出后逐渐应用于飞机设计和工程电磁分析领域,能对复杂的电磁场进行高精度求解。它具有适应复杂边界条件或边界形状、较高的求解精度、能求解非线性问题等优点,因此,特别适合求解电机这类边界条件复杂、存在非线性材料的磁场问题。


①电磁场有限元法

电磁场有限元法是对电磁场偏微分方程求数值解,它的求解步骤是首先将整个求解区域离散化,分割成许多小的区域,称之为“单元”或者“有限元”。然后将偏微分方程的边值问题等价为条件变分问题及泛函数求极值的问题,利用剖分插值在单元上构造插值函数,离散化变分问题为普通多元函数的极值问题,以及最终演变成求解一组多元代数方级组,这些方程的解就是待求边值问题的数值解。通过电磁场有限元法求得各点磁位后,再通过变换(即后处理)就可以得到分析所需要的力、转矩、损耗、电抗、电动势等参数[11] 。


②电磁场仿真软件 Ansoft 介绍

如果借助有限元电磁场仿真元件,电机设计和故障分析会变得非常方便,其求解精度满足工程要求,且速度相当快。Ansoft 是世界著名的商用电磁场有限元软件之一,主要用于设计和分析各种电磁设备和机电设备,例如:电机、变压器、传感器及其它电磁设备。它基于麦克斯韦方程,采用有限元离散形式,将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解,具有操作界面友好,能够进行分布式计算和并行计算,求解准确性高等特点。 Ansoft 能够自动自适应产生适当、高效和准确的网格剖分,这种自动自适应剖分技术可以使有限元分析变得更简单。利用Ansoft 软件,可以分析电机在不同工况下的磁场分布情况,获得各种性能参数曲线与数据。