內(nèi)置式永磁同步電機(jī)退磁仿真建模及特征分析

劉麥，馬艷花

(海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南省智能電網(wǎng)裝備工程研究中心，海南?？?571127)

0 引言

永磁同步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、高可靠性、高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、日常生活等領(lǐng)域[1]，目前電動(dòng)汽車上驅(qū)動(dòng)電機(jī)也多以永磁同步電機(jī)為主。永磁同步電機(jī)的磁場是由轉(zhuǎn)子上的永磁體所產(chǎn)生,永磁材料主要分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復(fù)合永磁材料等，具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁的特點(diǎn)[2]。稀土永磁材料小型化、輕量化、性能高的優(yōu)點(diǎn)，以及在我國儲(chǔ)量和產(chǎn)量大、成本低，使得其發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍廣，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)常用釹鐵硼稀土永磁材料。永磁材料和其他磁性材料一樣，也會(huì)發(fā)生退磁現(xiàn)象。當(dāng)永磁體提供的磁場出現(xiàn)退磁時(shí)，會(huì)直接影響電機(jī)的運(yùn)行，從而威脅電動(dòng)汽車的安全。因此，永磁電機(jī)的退磁分析是電機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造和后期維修維護(hù)不可忽略的問題。

1 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中永磁體磁極分布的不同，主要可分為表面式和內(nèi)置式兩種，如圖1所示。表面式結(jié)構(gòu)又分為表面凸出式和表面嵌入式，內(nèi)置式結(jié)構(gòu)有“一”字型、“U”字型、“V”字型等[3]。

圖1 永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表面式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝簡單、成本低、易于優(yōu)化實(shí)現(xiàn)正弦波氣隙磁密，但無法進(jìn)行弱磁調(diào)速，調(diào)速范圍很小，且機(jī)械強(qiáng)度較小。內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能好，具有高氣隙磁通密度、高過載能力、高功率密度，能夠?qū)崿F(xiàn)弱磁調(diào)速、調(diào)速范圍寬，且機(jī)械強(qiáng)度大、抗退磁能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]，因此電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)多采用內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文中以某電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)用永磁同步電機(jī)為研究對象，對電機(jī)進(jìn)行仿真建模及退磁時(shí)的特征分析。

2 永磁同步電機(jī)退磁模型

永磁同步電機(jī)為8極48槽內(nèi)置式永磁體結(jié)構(gòu)。其中定子參數(shù)見表1，定子繞組為三相單層繞組結(jié)構(gòu)。

表1 定子結(jié)構(gòu)參數(shù)

轉(zhuǎn)子采用V型內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，外徑160.4 mm，內(nèi)徑110.64 mm，氣隙寬度0.75 mm。共16個(gè)永磁體磁極，其槽體參數(shù)如圖2所示[5]。永磁材料型號(hào)采用N38SH，最高工作溫度150 ℃，矯頑力Hcb為915 kA/m，剩磁Br為1.23 T，回稟矯頑力Hcj為1 592 kA/m。

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

汝鐵硼永磁材料是目前性能最高的永磁材料，工作于磁滯回線的第二象限退磁部分，在去磁工作點(diǎn)之下磁導(dǎo)率變化極小，可認(rèn)為是線性退磁關(guān)系，也就是退磁情況下磁導(dǎo)率保持不變。文中研究永磁體均一退磁情況下的特征分析，以均一退磁20%、40%、60%、80%為研究對象。根據(jù)汝鐵硼永磁體的特性，可通過不改變磁導(dǎo)率，依次降低剩磁Br20%、40%、60%、80%來實(shí)現(xiàn)電機(jī)退磁模型的建立。

3 永磁同步電機(jī)退磁特征分析

3.1 氣隙磁密分析

永磁同步電機(jī)模型穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，不施加激勵(lì)，空載情況下永磁體未退磁時(shí)電機(jī)的磁通密度云圖如圖3所示。由圖可見，磁通密度分布均勻，永磁體部分未出現(xiàn)失磁。

電機(jī)內(nèi)部磁通可分解為徑向磁通和切向磁通，其中徑向磁通作用于定子和轉(zhuǎn)子各部分，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩、反電動(dòng)勢等，是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的橋梁。取氣隙磁通密度位置為轉(zhuǎn)子與定子氣隙正中間，對該位置進(jìn)行徑向磁通密度取值，可得圖4所示氣隙磁密曲線。從曲線可知，整體呈正弦波但含有較大成分的諧波分量，對氣隙磁密曲線進(jìn)行FFT變換。

圖3 電機(jī)磁通密度云圖

分別計(jì)算均一退磁20%、40%、60%、80%之后的電機(jī)磁通密度云和氣隙磁密曲線，并進(jìn)行氣隙磁密曲線的FFT變換，可得各退磁率下的FFT變換后前13次諧波情況，結(jié)果如圖5所示，各諧波分量與基波分量的百分比(諧波含量)見表2。

圖4 氣隙磁密曲線

圖5 氣隙磁密曲線FFT變換

表2 氣隙磁密各次諧波占基波百分比 %

由表2可知，隨著退磁程度的加深，氣隙磁通密度隨之明顯減小。各諧波含量中，5次諧波含量依次降低、11次諧波含量依次增加。同時(shí)仿真計(jì)算細(xì)化退磁程度依舊滿足此變化趨勢。因此，可將5次諧波含量和11次諧波含量作為永磁同步電機(jī)是否退磁的一種診斷依據(jù)。

3.2 反電動(dòng)勢分析

正常磁場下反電動(dòng)勢曲線如圖6所示。

圖6 空載反電動(dòng)勢曲線

空載運(yùn)行時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢是永磁體產(chǎn)生的空載氣隙磁通基波分量在繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，與磁場強(qiáng)度有關(guān)，最能直接反應(yīng)內(nèi)部磁場情況，從而掌握永磁體的磁性能變化。激勵(lì)輸入0，轉(zhuǎn)速750 r/min空載運(yùn)行時(shí)分別對永磁同步電機(jī)正常情況、均一退磁20%、退磁40%、退磁60%、退磁80%情況下進(jìn)行反電動(dòng)勢仿真計(jì)算。

正常情況和均一退磁20%、退磁40%、退磁60%、退磁80%情況下空載反電動(dòng)勢的基波幅值見表3，對各個(gè)情況下的反電動(dòng)勢取A相波形進(jìn)行FFT變換，結(jié)果見表4。隨著退磁程度的加深，電機(jī)內(nèi)部磁場強(qiáng)度減弱，根據(jù)空載反電動(dòng)勢公式可知，反電動(dòng)勢大小和磁通呈正比例關(guān)系，因此，反電動(dòng)勢也明顯隨著退磁程度的加深而減小。同時(shí)，從FFT變換可以看出，5次諧波占基波的百分比隨著退磁程度的加深而逐漸減小。因此，空載反電動(dòng)勢的大小和5次諧波含量可作為判斷是否退磁的診斷依據(jù)之一。

表3 反電動(dòng)勢基波幅值 V

表4 反電動(dòng)勢各次諧波占基波百分比 %

3.3 相電流分析

該永磁同步電機(jī)基準(zhǔn)功率50 kW，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速1 194 r/min，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩400 N·m。設(shè)置負(fù)載工況下對電機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算定子三相相電流。正常磁場下三相相電流如圖7所示，由于迭代的原因，電流波形在最開始不穩(wěn)定，3 ms后趨于穩(wěn)定。

圖7 定子三相相電流曲線

取A相定子電流穩(wěn)定后的10～30 ms區(qū)間的波形進(jìn)行FFT變換。同理，計(jì)算退磁20%、退磁40%、退磁60%、退磁80%情況下負(fù)載工況的三相相電流并進(jìn)行FFT變換，基波幅值及前13次諧波占基波百分比結(jié)果見表5和表6。

表5 定子A相電流基波幅值 A

表6 定子A相電流各次諧波占基波百分比 %

永磁材料退磁引起電機(jī)內(nèi)部磁場減弱，負(fù)載不變情況下，為獲得與負(fù)載平衡的電磁轉(zhuǎn)矩，必然會(huì)使得功角增加和電流增大。在不改變功角的前提下，定子電流將大幅提高。同時(shí)，從FFT變換結(jié)果可以看出，3次諧波和7次諧波占基波分量的百分比增加，特別是3次諧波含量增加明顯。因此，當(dāng)定子電流增加和3次諧波含量增加也可以作為診斷永磁同機(jī)電機(jī)出現(xiàn)退磁現(xiàn)象的依據(jù)之一。

4 結(jié)論

退磁故障診斷的核心是通過對電機(jī)內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行分析，提取能表征退磁故障的簡單、顯著的特征量。當(dāng)永磁同步電機(jī)出現(xiàn)退磁現(xiàn)象時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致磁通密度的下降，從而引起電機(jī)內(nèi)部各特征參數(shù)的變化。通過分析電機(jī)各特征參數(shù)，可判斷永磁體是否發(fā)生退磁現(xiàn)象，而其中最直觀的體現(xiàn)是反電動(dòng)勢和相電流，可通過外電路進(jìn)行檢測與診斷。永磁體退磁分為可回復(fù)退磁和不可逆失磁，通過對電機(jī)內(nèi)部特征的檢測與診斷，判斷當(dāng)出現(xiàn)不可逆失磁故障時(shí)，進(jìn)行及時(shí)充磁，避免永磁體持續(xù)失磁惡化，保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。