航空永磁同步發(fā)電機高溫均勻退磁故障仿真研究

余銀犬， 仲元昌， 涂文兵， 陳齊平， 楊錦雯

（1. 華東交通大學(xué) 機電與車輛工程學(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，飛機體型越來越大，機構(gòu)也越來越復(fù)雜，飛機電控系統(tǒng)中的航空電子設(shè)備和電傳系統(tǒng)越來越多，對飛機供電系統(tǒng)的安全性[1]及發(fā)電機的能源效率比要求也越來越高，飛機電控系統(tǒng)如圖1 所示。因此，全電飛機和大飛機的電動機和發(fā)電機中高效率的永磁同步電動機/發(fā)電機（稀土永磁）的應(yīng)用是近年來研究的一個重要方向和趨勢。

圖1 飛機的動力控制系統(tǒng)

永磁同步發(fā)電機（PMSG）因其具有機構(gòu)簡單、運行可靠、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[2]而被越來越多的新能源發(fā)電系統(tǒng)（水輪機發(fā)電和風力發(fā)電）、全電飛機執(zhí)行機構(gòu)和飛機發(fā)電系統(tǒng)所采用[3]。然而，飛機永磁同步發(fā)電機是由渦輪發(fā)動機帶動的，渦輪發(fā)動機的高溫可能會引起飛機永磁同步發(fā)電機的退磁。當飛機永磁發(fā)電機發(fā)生退磁故障時，會導(dǎo)致其發(fā)電效率下降，發(fā)電電壓波動大，供電質(zhì)量變差，嚴重的話會導(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，振動加大以至于損壞整個發(fā)電系統(tǒng)。很多學(xué)者從事了這方面的探索，在永磁同步電機退磁方面取得了一定成果[4]。文獻[5]對永磁電機內(nèi)部熱場進行了分析，計算了溫度和永磁體退磁之間的相互關(guān)系，文獻[6]通過分析電動汽車上應(yīng)用的永磁電機幾何構(gòu)造和尺寸，研究了其對永磁電機退磁的具體影響。與表貼式永磁電機轉(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，因此在電動汽車永磁電機、高速動車永磁牽引電機和飛機發(fā)電機等對安全可靠性要求高的場合，永磁電動機/發(fā)電機均采用內(nèi)置式永磁結(jié)構(gòu)[7]。永磁同步電機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)合這兩種方法進行分析[10]。隨著信號處理新技術(shù)和機器深度學(xué)習(xí)新算法的應(yīng)用，永磁電機退磁故障分析方法也由模型驅(qū)動演變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動。文獻[11]就應(yīng)用了基于時間?時間變換和極限學(xué)習(xí)機相結(jié)合的方法研究了永磁同步直線電動機的退磁故障識別和分類，該方法特別適合于電機的批量消磁檢測和定期維護。文獻[12]中，采用信號S 變換的方法使得原始反電動勢信號的可識別部分顯著增強，再通過粒子群算法對最小二乘支持向量機的參數(shù)進行優(yōu)化，以快速準確地對永磁電機退磁故障進行診斷。然而，永磁同步電機容易退磁的隱患一直未得到解決，大部分研究僅停留在實驗室用SIMULINK 對理想模型進行仿真這一階段，嚴重影響了永磁同步發(fā)電機在航空領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

因此，本文采用有限元數(shù)值方法對不同程度均勻退磁的發(fā)電機及其直接受退磁影響的反電動勢、脈動轉(zhuǎn)矩和漏磁等信號進行相關(guān)性分析。永磁體的退磁主要是由于高溫和定子電流過大引起的磁場逆作用。當發(fā)電機在高溫環(huán)境下工作時，轉(zhuǎn)子稀土永磁體處于與磁化方向相反的強磁場中，在這種情況下，相反的磁場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[14]對永磁體高溫退磁進行了詳細的研究。

為防止高溫退磁引起不必要的后果，文獻[15]中提出了基于效率及溫升的軸向磁通永磁電機優(yōu)化設(shè)計。正如文獻[16]中闡述，均勻退磁是永磁同步電機一種常見的退磁故障類型，有必要進一步研究。另一種類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程或機器操作過程中。由于制造工藝的缺陷和機器操作的不當使稀土永磁體產(chǎn)生裂紋或碎裂，或者是永磁體長時間處在不當環(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的時間加以探討。篇幅有限，本文只圍繞工作在高溫環(huán)境下永磁同步發(fā)電機永磁體的均勻退磁故障診斷展開分析。

1 內(nèi)置式永磁同步電機的性能分析

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

圖2 三相8 極21 槽分布式繞組型內(nèi)置式永磁同步電機截面圖

由圖可知，本機為三相8 極21 槽分布式繞組型內(nèi)置式永磁同步電機。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)動慣量，并提高發(fā)電機通風性和散熱性，內(nèi)轉(zhuǎn)子開有8 個五邊形通孔。算例中采用的稀土永磁同步發(fā)電機（永磁體為內(nèi)置式）尺寸和規(guī)格見表1。轉(zhuǎn)子采用燒結(jié)的Sm2Co17 型磁體，永磁體物理電磁特性見表2。

表1 算例發(fā)電機的尺寸 mm

采用商用有限元仿真軟件ANSYS Maxwell對永磁同步發(fā)電機性能進行了分析。發(fā)電機的有限元模型如圖3 所示，有限元單元采用軟件自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)自動生成的三角形離散單元。了解磁場的性質(zhì)有助于確定機器中不同位置的網(wǎng)格密度。一般來說，在磁場變化很快的地方，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)密度對解的精度有很大影響，為提高計算精度，在轉(zhuǎn)子和定子間的氣隙進行了自適應(yīng)加密。

圖3 內(nèi)置式永磁同步電機有限元模型

利用電磁場的電磁解算器，計算了電機的磁通密度分布。圖4 中的磁通圖結(jié)果表明磁通分布均勻，機器在合理的條件下使用其磁場。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（見表2）。結(jié)果表明，磁通密度水平與磁體特性相對應(yīng)。眾所周知，性能最優(yōu)的發(fā)電機在飽和區(qū)或飽和區(qū)附近工作。圖5 中的磁通密度分布表明發(fā)電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子，永磁體和氣隙均不存在磁飽和問題，機器在最佳狀態(tài)下穩(wěn)定高效運行。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)同步電機磁力線分布

圖5 內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機磁通量密度分布

圖6 內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機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，更輕微的振動和更低噪音的高質(zhì)量的高速永磁同步發(fā)電機，從而能與航空發(fā)動機相聯(lián)，必須對航空發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動產(chǎn)生的反電勢波形進行準確估計，因為它與電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生和電機效率密切相關(guān)。下一節(jié)首先探討永磁同步發(fā)電機不同程度的退磁對反電動勢的影響，再探討對脈動轉(zhuǎn)矩和漏磁的影響。

2 內(nèi)置式永磁同步電機的分析結(jié)果

若航空飛機永磁同步發(fā)電機的永磁體退磁，發(fā)電電壓可能無法達到飛控系統(tǒng)和電傳系統(tǒng)要求的正常幅值范圍的電壓，從而導(dǎo)致其無法正常工作，難以為飛機的電控系統(tǒng)供電提供穩(wěn)定可靠的保障。當飛控系統(tǒng)負載變化不大時，飛機永磁發(fā)電機的發(fā)電電壓取決于其反電動勢。而反電動勢取決于永磁勵磁、繞組布置、機器結(jié)構(gòu)和磁極齒槽組合，在繞組布置、機器結(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)變化才會導(dǎo)致反電動勢的改變，從而影響到發(fā)電效率和輸出電壓。

永磁同步發(fā)電機中的磁場來源于兩部分，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[11]所提到的，當永磁發(fā)電機發(fā)生退磁故障時，發(fā)電機的反電動勢會發(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反電勢的影響，如圖7 所示。仿真分析結(jié)果表明，均勻退磁使反電勢減小，但不影響反電動勢波形，反電動勢不發(fā)生畸變。也就是說退磁能使發(fā)電電壓降低，但不會產(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%，線路反電動勢就會減少7%。

為更進一步推算退磁程度同反電動勢之間的準確映射關(guān)系，由圖7 可以獲取不同退磁程度下的反電動勢的峰值并且得到表3 的數(shù)據(jù)如表3 中。

表3 不同退磁程度下反電動勢峰值

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勢峰值的相互映射關(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)電機反電動勢峰值

運用線性回歸的方法就能得到二者映射關(guān)系的公式：

在任何類型的永磁同步發(fā)電機中，由于采用開槽定子結(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，切向引力也會隨轉(zhuǎn)子位置而變化。因此，永磁同步發(fā)電機運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩。由于齒槽轉(zhuǎn)矩與電機的永磁磁場分布直接相關(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)或負相關(guān)的映射關(guān)系，以此為判斷依據(jù)會比較容易產(chǎn)生誤判，所以齒槽轉(zhuǎn)矩不適合作為永磁電機退磁故障分析的參數(shù)。分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，當永磁同步發(fā)電機沒有退磁故障，即處于健康狀態(tài)時，發(fā)電機的脈動轉(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)電機齒槽轉(zhuǎn)矩

漏磁計算結(jié)果如圖10 所示，眾所周知，永磁同步發(fā)電機發(fā)生均勻退磁后漏磁場幅值也會相應(yīng)減小，永磁體退磁程度越高，永磁發(fā)電機漏磁信號就越弱，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)電機的漏磁

表4 不同退磁程度下永磁發(fā)電機漏磁峰值

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)電機的漏磁幅值

運用非線性回歸的方法就能得到二者映射關(guān)系的公式：

當退磁程度達到60%時，漏磁信號非常弱，非常接近地球的磁場（0.5～0.6 Gs），所以本算例采用的永磁同步發(fā)電機不適合用磁場傳感器探測漏磁場來在線檢測有嚴重退磁的永磁同步發(fā)電機退磁故障。

3 結(jié) 論

1) 通過數(shù)字運算得知，航空永磁同步發(fā)電機高溫退磁情況下，其反電動勢、脈動轉(zhuǎn)矩和漏磁等信號均會發(fā)生變化，且退磁程度越高，反電動勢和漏磁就越弱，因此航空永磁同步發(fā)電機內(nèi)部退磁故障可以通過外部的電磁傳感器探測得到。

2) 當永磁發(fā)電機退磁程度較為嚴重時，利用理論計算公式預(yù)測的結(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，漏磁信號在退磁程度相當嚴重時由于信號相當微弱，在環(huán)境磁場的干擾下會造成永磁發(fā)電機漏磁故障的誤診斷。

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