永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁鋼退磁產(chǎn)生異響問題分析

何比干

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院佛山檢測院，廣東佛山 528010）

0 引言

電梯是高層建筑交通運輸服務(wù)重要的機電一體化設(shè)備，其核心構(gòu)成就是曳引機構(gòu)，在電梯傳動系統(tǒng)中發(fā)揮核心作用［1］。隨著城市的高速發(fā)展，高層建筑迅速增多，使用者更加追求電梯系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前在電梯領(lǐng)域里，永磁同步電機（PMSM）驅(qū)動的電梯已經(jīng)獨占鰲頭，完全取代了傳統(tǒng)的交流異步電機。與其他類型的電機相比，永磁同步曳引機具有高效率、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩慣量比、超強的過載能力、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多樣化等優(yōu)點，引起業(yè)界的研究者和生產(chǎn)者的關(guān)注［2－3］。不過，永磁電機比起傳統(tǒng)的相關(guān)電機，該電機磁源的途徑主要為永磁體，如果電機發(fā)生故障，將對永磁體的性能造成重大影響甚至發(fā)生嚴重退磁，從而產(chǎn)生異響現(xiàn)象，輸出性能和承載能力明顯降低［4］。因此，對永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁鋼退磁問題進行研究，揭示故障影響電機性能機理的程度，為診斷研究永磁電機的故障奠定理論基礎(chǔ)。本文以某小區(qū)高層電梯為例，在實際運行中出現(xiàn)轎廂抖動并發(fā)出很大的嗡鳴聲，利用聲級計對其進行檢測，顯示有故障隱患的曳引機空載時聲響高出正常曳引機的12～20 dB，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)電梯所產(chǎn)生的異響問題，主要是溫度偏高、輸出電流偏高且呈鋸齒狀異常波動所致，體現(xiàn)了電機內(nèi)不同構(gòu)件溫度變化的規(guī)律，為診斷永磁體高溫退磁和永磁體電機異常噪聲的故障提供技術(shù)支撐。

1 檢驗案例

以某小區(qū)高層電梯為例，對轎廂的抖動問題進行現(xiàn)場檢查。在檢查過程中發(fā)現(xiàn)機房中電機在運行過程中有嗡鳴聲，聲音較高。利用聲級計檢測，發(fā)現(xiàn)故障曳引機空載運行過程中，異常聲音比較明顯，而且要比正常的高出12 ～20 dB（A），如圖1所示。

圖1 曳引機噪聲檢測對比

電梯處在重載運行中，轎廂會出現(xiàn)抖動情況，抖動比較劇烈，而且還會發(fā)生停電梯的情況。發(fā)生問題電梯的相關(guān)數(shù)據(jù)為：32 層32 站，速度額定為2 m／ s、載重額定為1000 kg，驅(qū)動電機是以永磁同步曳引機為基礎(chǔ)。電梯空載條件下，在上、下行過程中，可以在檢測中發(fā)現(xiàn)電流軌跡呈鋸齒狀，如圖2 所示。比起正常電梯，框內(nèi)電梯的電流曲線顯現(xiàn)較大波動性，曲線不是平滑的。

圖2 上、下行檢測電流的曲線

在對溫度進行檢測時，曳引機外殼表面溫度較高，要比正常的高出5 ℃左右。這時工作人員在檢修期間，需要在發(fā)現(xiàn)故障之后，將主機拆開進行檢查，然后發(fā)現(xiàn)1 ／ 3 的曳引機轉(zhuǎn)子磁鋼片存在退磁現(xiàn)象，不存在退磁現(xiàn)象的磁鋼片磁場強度分布為280 mT，如圖3 所示；發(fā)生退磁的磁鋼片分布的磁場強度為30 mT，如圖4 所示，退磁磁鋼片強度最低的磁場如圖5 所示，顯示為0。

圖3 沒有退磁的磁鋼片

圖4 退磁的磁鋼片

圖5 完全退磁的磁鋼片

經(jīng)過檢測之后表現(xiàn)的狀況為：在設(shè)計的時候部分退磁的磁鋼片，其磁場強度就難以達到規(guī)范要求，造成在運轉(zhuǎn)過程中電磁轉(zhuǎn)矩輸出過程中難以符合具體情況，導(dǎo)致電梯運行故障頻發(fā)［5］。

2 結(jié)構(gòu)特點分析

同步電動機是永磁同步曳引機的基礎(chǔ)，相比于傳統(tǒng)蝸輪蝸桿式曳引機，在實際應(yīng)用中整體效率更高，而且體積不大，且功率因數(shù)較高。磁鋼片是內(nèi)部永磁材料結(jié)構(gòu)的材料，可以不使用電刷、勵磁線圈等，在電梯制造中的應(yīng)用十分廣泛。對永磁同步曳引機進行觀察與分析，缺陷情況與傳統(tǒng)電機存在較大差距［6］。

相比于一般的異步電機，永磁同步曳引機的定子在結(jié)構(gòu)上既有區(qū)別又有共同點。共同點是需要將三相電流輸入，區(qū)別是組成材料結(jié)構(gòu)為磁鋼片。永磁同步曳引機在實際運行過程中，磁鋼片均勻分布在定子一圈，在具體設(shè)計過程中，需要注意很多情況，比如磁鋼片剩磁密度Br 和矯頑力Hc 等技術(shù)參數(shù)。整體結(jié)構(gòu)為瓦片式結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面圈貼著磁鋼片，轉(zhuǎn)子的鐵芯中也有存在瓦片式結(jié)構(gòu)。按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，一般可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子型曳引機，具體如圖6～7 所示。兩者表現(xiàn)的特點如下：

圖6 內(nèi)轉(zhuǎn)子型曳引機

（1）在具體的運行時間里，內(nèi)轉(zhuǎn)子型曳引機的受力在具體的運行時間里較小，而且整體結(jié)構(gòu)筆記簡單，且散熱方便，這是由于內(nèi)轉(zhuǎn)子型曳引機有著良好的優(yōu)點，而且在電機中比較常見，且應(yīng)用十分廣泛［7］；

（2）單軸伸固定方式是外轉(zhuǎn)子型曳引機較常使用的方法，在實際應(yīng)用中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且散熱不方便，應(yīng)用中一般不會存在于大功率場合，外轉(zhuǎn)子型曳引機常見于無機房電梯中，主要原因是直徑比較小。

圖7 外轉(zhuǎn)子型曳引機

3 控制原理

永磁同步曳引機工作時的穩(wěn)態(tài)相量如圖8 所示。

圖8 永磁同步曳引機工作時的穩(wěn)態(tài)相量

由圖8 可知，曳引機電動勢Eo能夠在永磁體的磁鏈下求得；在曳引機負載運行狀態(tài)下，I為定子電流，定子電流I分解的前提基礎(chǔ)是必須在d、q軸坐標系中進行。此時則能夠分解為兩種電流分量：d軸與q軸，分別為Id、Iq，d軸下通過Id能夠產(chǎn)生磁鏈ψad、去磁磁勢，q軸下可以在Iq的作用下產(chǎn)生磁鏈ψaq、去磁磁勢，ψm為曳引機的合成磁鏈，永磁曳引機電動勢可以在ψm引起，為Em。對于Em而言，通過計算可以得到：Em＝j(luò)IdXd產(chǎn)生的電動勢＋ψaq產(chǎn)生的電動勢。曳引機的端電壓U則可以通過曳引機定子繞組的壓降ur得到。δ 為U與Eo的夾角；φ為U與I的夾角；β 為電流與q軸的夾角。通過d、q軸數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，能夠?qū)﹄娏骺刂普{(diào)速進行定性分析，鐵芯材料的渦流損害可以忽略不計，且不會受到磁滯損害，永磁同步曳引機的數(shù)學(xué)模型可以在永磁同步曳引機的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，在構(gòu)建時使用的理論為坐標變換理論，具體方程如下：

電壓方程：

式中：Ud、Uq分別為d、q軸上的電壓分量；Id、Iq分別為d、q軸上的電流分量；ωr為坐標系轉(zhuǎn)子電機角速度；ψd、ψq分別為磁體在d、q軸上的磁鏈。

縱、橫軸等效電樞電感可以分別記為Ld與Lq，永磁同步曳引機磁鏈方程為：

式中：ψd、ψq分別為永磁體在d、q軸上的磁鏈；Ld、Lq分別為d、q軸上的等效電樞電感；Id、Iq分別為d、q軸上的電流分量；ψf為永磁體產(chǎn)生的等效激磁磁鏈。

可以將原有的坐標教學(xué)變化，得到如下方程：

式中：Tem為電磁輸出轉(zhuǎn)矩；Pn為磁極對數(shù)。

運動方程式：

式中：J為系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量；ω為電機機械角速度；B為摩擦阻尼系數(shù)；TL為負載轉(zhuǎn)矩。

由式（4）可以看出，在固定電梯轎廂載重之后，磁轉(zhuǎn)矩Te是唯一變量，常量是除去轉(zhuǎn)速以外的全部量。所以控制期間，電機轉(zhuǎn)速發(fā)揮著重要作用。

永磁同步曳引機選擇的主要控制方法是d、q軸系轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，要求將縱向電流改變?yōu)镮d＝0，利用合理控制矢量策略，讓定子磁鏈空間與永磁磁鏈空間正交地實現(xiàn)，Id＝0 控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)他勵直流電機［8］。

4 永磁體退磁對曳引機的影響

永磁同步曳引機的d、q軸數(shù)學(xué)模型是永磁同步曳引機控制的基礎(chǔ)，改變電壓、電流和反電勢三者間的相位關(guān)系，可以對曳引機的運行狀態(tài)進行控制與改變。由于負載型存在不同，所以Id＝0，最大轉(zhuǎn)矩／電流控制是比較常見的控制方式。

永磁同步曳引機的控制模式表現(xiàn)為Id＝0（ψ ＝0），在該模式下，能夠保證內(nèi)部電勢與電機電流是同步的，在沒有磁場控制的情況下，不會引起磁性、弱磁性；在ψ ＝0 的環(huán)境里，電磁繞組中沒有袪磁分量，轉(zhuǎn)矩的電流完全可以產(chǎn)生［9］。

ψ ＝0 方式下，圖9 所示為同步的電機矢量。經(jīng)過實踐可以表現(xiàn)出下列特點。

圖9 永磁同步曳引機矢量

（1）定子磁場始終可以先行于轉(zhuǎn)子磁場。這種現(xiàn)象形成主要源于機械的影響，這樣就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場滯后情況，也就是兩種磁場會同時運轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁場跟著前者運轉(zhuǎn)。

（2）轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場一直呈現(xiàn)垂直（90°）。在該邏輯中，直流電機可以在ψ ＝0 控制條件下實現(xiàn)，這種方法在電梯領(lǐng)域匯總比較普遍使用。

如果呈現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場垂直于定子磁場，那么電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：Pn為極對數(shù)；ψf為永磁磁鏈；Iq為q軸電流分量。

為確保主機正常運行，需要增加電流輸出的頻率，無形增大了電機定子繞組線圈上電流的流過，發(fā)熱明顯增大，這樣就會讓電機工作期間的溫度變高［12］。磁鋼片部分退磁情況下，使得交變磁場也發(fā)生一定變化，電機三相電流出現(xiàn)紊亂的情況，曳引機定子電流可以在圖1 中看出，存在現(xiàn)劇烈波動情況。

通過上述分析，可以得到幾種結(jié)果：（1）在運行過程中，曳引機有異響聲；（2）牽引機三相電流高于正常運行，且比較距離波動大，存在嚴重的退磁情況，這樣就會出現(xiàn)短路而損壞電機的故障；（3）在運行過程中，會逐漸升高曳引機外殼表面溫度，容易超過正常溫度；（4）在電梯運行過程中，轎廂出現(xiàn)抖動情況。

5 結(jié)束語

綜上所述，磁鋼是永磁體同步無齒輪電梯曳引機的關(guān)鍵組成部分。不管磁鋼的不可逆退磁是怎樣引起的，都會導(dǎo)致磁鋼的磁性能嚴重地下降，從而發(fā)生牽引電機的過電流過熱現(xiàn)象。在本文中，通過電梯異響故障診斷分析，一旦曳引機運行過程中出現(xiàn)超高的溫度、很大的異響聲、偏高的輸出電流、顯現(xiàn)鋸齒狀的異常波動，就可以斷定為曳引機磁鋼片退磁引發(fā)的故障，從而及時判斷磁鋼失磁現(xiàn)狀，進行有效的故障排除，保證電梯永磁同步電機的正常、高效運行。