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        永磁同步電動(dòng)機(jī)退磁故障的分析與實(shí)驗(yàn)研究

        2023-02-20 13:42:38王宏達(dá)王超宇
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2023年11期
        關(guān)鍵詞:退磁波峰基波

        胡 堃,師 小,王宏達(dá),王超宇

        (中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

        0 引言

        永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不再由繞組而是由永磁體提供,相較于傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、性能好等優(yōu)點(diǎn)。PMSM 中的永磁體因溫度過(guò)高、過(guò)流等原因容易發(fā)生退磁,影響電動(dòng)機(jī)性能,最終可能造成嚴(yán)重后果,對(duì)PMSM 退磁進(jìn)行研究就顯得十分重要。在目前迅速發(fā)展的新能源汽車領(lǐng)域,研究的熱點(diǎn)就包括在設(shè)計(jì)初期如何規(guī)避驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的永磁體退磁[1]。對(duì)PMSM的退磁進(jìn)行研究、分析并開(kāi)展退磁故障診斷與預(yù)防對(duì)電動(dòng)汽車安全運(yùn)行具有重要意義。

        對(duì)于電動(dòng)機(jī)退磁研究,文獻(xiàn)[2-3]中指出常用的方法有:基于數(shù)學(xué)模型的解析法,基于等效磁路模型的集總參數(shù)分析法以及基于有限元模型的數(shù)值法;文獻(xiàn)[4]中指出常用于退磁診斷的特征信號(hào)包括磁感應(yīng)強(qiáng)度、反電勢(shì)、定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩。

        對(duì)于均勻退磁,文獻(xiàn)[5]中通過(guò)對(duì)比磁密云圖,分析了退磁對(duì)電動(dòng)機(jī)不同位置的磁場(chǎng)影響情況;文獻(xiàn)[6]中對(duì)氣隙徑向磁密和空載反電勢(shì)進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,F(xiàn)FT),通過(guò)基波和諧波的幅值變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)退磁故障診斷;文獻(xiàn)[7-8]中指出退磁和偏心故障時(shí),得出特征量的變化規(guī)律相似,通過(guò)FFT提取幅值變化的規(guī)律對(duì)兩種故障進(jìn)行區(qū)分診斷;文獻(xiàn)[9]中利用空載對(duì)應(yīng)的氣隙徑向磁密幅值的平均值估算退磁程度,通過(guò)仿真以及實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了該方法的有效性。

        對(duì)于局部退磁,文獻(xiàn)[10]中建立了多種不同的退磁形式,分析了磁勢(shì)、空載反電勢(shì)等特征量在不同的退磁形式下的變化;文獻(xiàn)[11]中對(duì)發(fā)生退磁故障的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)退磁會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小并引發(fā)異響和抖動(dòng);文獻(xiàn)[12]中指出永磁體的最小工作點(diǎn)(即永磁體各點(diǎn)磁密沿磁化方向投影的最小值)能準(zhǔn)確反映永磁體發(fā)生不可逆退磁情況。文獻(xiàn)[13-14]中指出PMSM重載啟動(dòng)時(shí)多次出現(xiàn)較強(qiáng)的退磁磁場(chǎng),而空載起動(dòng)只出現(xiàn)一次較強(qiáng)的退磁磁場(chǎng),并且永磁體的局部最大退磁點(diǎn)出現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速;文獻(xiàn)[15]中對(duì)氣隙磁密進(jìn)行了重構(gòu),得到退磁特征量,并利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了診斷。

        1 永磁體退磁原理

        永磁體退磁的原因有:自然退磁、高溫退磁、強(qiáng)磁場(chǎng)退磁、化學(xué)退磁以及振動(dòng)退磁。電動(dòng)機(jī)中永磁體退磁通常是高溫下大電流產(chǎn)生的強(qiáng)退磁磁場(chǎng)造成?,F(xiàn)結(jié)合永磁體退磁曲線對(duì)永磁體退磁進(jìn)行分析,常溫以及高溫狀態(tài)下的內(nèi)稟退磁曲線如圖1 所示。

        圖1 常溫和高溫內(nèi)稟退磁曲線

        圖中Br-Hcj為內(nèi)稟退磁曲線,Br-Hc為退磁曲線(圖中物理量為標(biāo)量),內(nèi)稟退磁曲線對(duì)應(yīng)的磁密為永磁體自身磁密,與永磁體磁化強(qiáng)度有關(guān)。退磁曲線形狀取決于內(nèi)稟退磁曲線的形狀,圖1(b)內(nèi)稟退磁曲線的水平線部分意味著永磁體的磁性很強(qiáng),即不退磁。內(nèi)稟退磁曲線的非水平線部分意味著永磁體的磁性開(kāi)始變?nèi)酰赐舜?。結(jié)合圖1(a)、(b)進(jìn)行對(duì)比,可見(jiàn)永磁體溫度升高會(huì)導(dǎo)致內(nèi)稟退磁曲線的Hcj和Br減小,從而導(dǎo)致退磁曲線的Hc和Br減小,并出現(xiàn)拐點(diǎn)。

        因?yàn)橛来朋w磁導(dǎo)率不變,退磁曲線對(duì)應(yīng)的每個(gè)點(diǎn)做拐點(diǎn)前直線部分的平行線,此平行線與B軸交點(diǎn)即為剩磁,如圖1(b)所示,因此,拐點(diǎn)前對(duì)應(yīng)的點(diǎn)做出的平行線與B軸交點(diǎn)為原磁密,即不退磁,拐點(diǎn)后對(duì)應(yīng)的點(diǎn)做出的平行線與B軸交點(diǎn)下移,即退磁。從圖1(b)中虛線部分看出,兩條曲線求出的剩磁是一致的,且退磁曲線上的B為0 或者為負(fù)并不意味著完全退磁和反向充磁。

        2 均勻退磁

        利用仿真軟件建立的4 極24 槽的表貼式PMSM模型如圖2 所示[16],主要參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

        圖2 電動(dòng)機(jī)模型

        選用N42SH 在20 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的直線形式退磁曲線,永磁體的充磁方向?yàn)閺较?;共設(shè)置了退磁0%、5%、10%、20%、40%、60%、80%和100% 8 種情況,由仿真得到圖3(a)~(d)對(duì)應(yīng)的氣隙徑向磁密BR、A相磁鏈ΨA、A相空載感應(yīng)反電勢(shì)e0A,AB 相空載感應(yīng)線反電勢(shì)e0AB的波形。

        圖3 不同退磁程度對(duì)應(yīng)的BR、ΨA、e0A、e0AB

        右邊的max 和rms分別為最大值和有效值,由圖3 可見(jiàn),同一物理量對(duì)應(yīng)的波形都是一樣的,退磁程度越嚴(yán)重,BR、ΨA、e0A、e0AB的值都越小。以e0A為例,從數(shù)值上可見(jiàn),e0A和退磁的總體關(guān)系不是線性關(guān)系,采用非線性擬合的方法對(duì)e0A的最大值和有效值進(jìn)行研究,e0A對(duì)應(yīng)的擬合曲線如圖3(a)~(d)所示,e0A對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)分別為:

        式中:x為退磁百分比;y為下標(biāo)對(duì)應(yīng)的物理量值。

        由仿真得到的退磁25%、50%和75%對(duì)應(yīng)的e0A的最大值和有效值進(jìn)行上述擬合函數(shù)精度檢測(cè),具體的情況如表2 所示。由表2 可見(jiàn),e0A的最大值擬合函數(shù)要比有效值擬合函數(shù)精度高。

        表2 e0A、e0AB的最大值和有效值擬合函數(shù)的精度檢測(cè)

        為進(jìn)一步提高精度,結(jié)合e0A的變化規(guī)律,即在退磁60%前,e0A最大值和有效值隨退磁減小的速度處于變動(dòng)中,在退磁60%后,速度基本維持不變,所以在退磁60%前,按5%增加數(shù)據(jù)(25%和50%用于檢測(cè),不考慮),在退磁60%后,按10%增加數(shù)據(jù),用于擬合數(shù)據(jù)如表3 所示。

        表3 e0A對(duì)應(yīng)的擬合數(shù)據(jù)

        為確定增加數(shù)據(jù)是否會(huì)提高退磁診斷精度,將表中e0A最大值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)按照擬合函數(shù)模型進(jìn)行擬合,得到式(5);隨著數(shù)據(jù)增多,規(guī)律變得明顯,以最大值為例,在退磁0%~35%,每多退磁5%,減小值約在1.3~1.9 之間變化;在退磁35%~60%,每多退磁5%,減小值約在2~2.9 之間變化;在退磁60%之后,每多退磁10%,減小值在4.98 左右;因此將數(shù)據(jù)按上述區(qū)域分成對(duì)應(yīng)的3 組,分別進(jìn)行擬合,得到最大值分段擬合函數(shù)式(7)。

        仿真得到的退磁25%、50%和75%對(duì)應(yīng)的e0A的最大值和有效值進(jìn)行擬合函數(shù)精度檢測(cè),與之前擬合函數(shù)的精度進(jìn)行對(duì)比,具體的情況見(jiàn)表4。由表可見(jiàn),3 個(gè)函數(shù)計(jì)算的精度都提升了不少,未進(jìn)行分段的新最大值擬合函數(shù)在對(duì)退磁25%、75%進(jìn)行檢測(cè)時(shí)精確度仍存在一定的差距;兩個(gè)分段函數(shù)對(duì)退磁75%進(jìn)行檢測(cè)時(shí)精確度最高,檢測(cè)結(jié)果和設(shè)定結(jié)果一致,對(duì)退磁25%、50%進(jìn)行檢測(cè)時(shí),檢測(cè)結(jié)果很接近設(shè)定結(jié)果,而有效值分段函數(shù)計(jì)算50%時(shí),計(jì)算結(jié)果和設(shè)定結(jié)果基本一致,因此選用有效值分段擬合函數(shù)用于退磁診斷。計(jì)算退磁百分比時(shí),根據(jù)表3 的相關(guān)數(shù)據(jù),代入相應(yīng)的分段函數(shù)區(qū)間進(jìn)行計(jì)算。

        表4 e0A對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)的精度對(duì)比

        3 局部退磁

        3.1 局部退磁仿真

        永磁體整塊退磁是現(xiàn)實(shí)中比較容易實(shí)現(xiàn)的一種情況,此時(shí)只須用相應(yīng)的無(wú)磁性材料將永磁體代替即可,轉(zhuǎn)子上白色永磁體意味著該永磁體完全退磁,退磁0%、25%、50%、75%和100%對(duì)應(yīng)的永磁體情況如圖5 所示。得到氣隙徑向磁密BR如圖6 所示。

        圖5 不同退磁程度對(duì)應(yīng)的永磁體情況

        由圖中可以看出很明顯的規(guī)律性,退磁0 的BR有4 個(gè)波峰,每個(gè)永磁體退磁,則減少一個(gè)波峰。退磁50%無(wú)波峰處的BR由正到負(fù),呈現(xiàn)中心對(duì)稱的關(guān)系,相較于退磁0%,退磁50%的BR峰值基本不變;退磁25%和退磁75%無(wú)波峰處的BR都是正的平行線,相較于退磁0%,退磁25%對(duì)應(yīng)的正波峰略微增大,對(duì)應(yīng)的負(fù)波峰減小較多,退磁75%的負(fù)波峰同樣減小得較多。將圖6(b1)和(b)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者正負(fù)波峰的情況正好相反,原因是單獨(dú)退磁永磁體的極性不同,同理可知,退磁75%對(duì)應(yīng)的單獨(dú)未退磁永磁體的極性不同,情況也會(huì)相反。

        由圖6 可見(jiàn),在不同情況下,保證轉(zhuǎn)子初始位置相同,轉(zhuǎn)子上的同一個(gè)繞組隨時(shí)間經(jīng)歷的磁場(chǎng)變化不一樣,由仿真產(chǎn)生的空載反電勢(shì)波形也不同。以退磁25%、50%、75%為例,仿真時(shí)間為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間,即100 ms,測(cè)量的e0A(one)是定子中一個(gè)A 相繞組(用黃色表示)對(duì)應(yīng)的反電勢(shì),結(jié)果如圖7 所示。

        圖7 不同退磁磁極和對(duì)應(yīng)的e0A(one)

        對(duì)于這種局部退磁,不同情況下BR差距比較大圖7(a)、(b)可通過(guò)波峰的分布情況不同進(jìn)行退磁位置的診斷,根據(jù)圖7(c)、(d)可通過(guò)波峰的情況不同進(jìn)行退磁程度的診斷。

        對(duì)不同退磁程度對(duì)應(yīng)的e0AB進(jìn)行分析,退磁25%的e0AB波形如圖8 所示。

        圖8 不同退磁程度對(duì)應(yīng)的e0AB

        由圖中可見(jiàn),e0AB隨著退磁程度的增加而減小,將e0AB視為退磁程度的線性函數(shù),對(duì)e0AB對(duì)應(yīng)的最大值和有效值進(jìn)行線性擬合,得到收斂的擬合曲線如圖9 所示,最大值擬合函數(shù)和有效值擬合函數(shù)分別為:

        圖9 e0AB對(duì)應(yīng)的擬合曲線

        對(duì)e0AB進(jìn)行FFT 分解,表5 為提取的與退磁程度之間存在規(guī)律的基波幅值、實(shí)部和虛部,5 次諧波幅值、實(shí)部和虛部。

        表5 e0AB的基波以及5 次諧波的相關(guān)量

        根據(jù)表5中6個(gè)量進(jìn)行線性擬合,基波幅值e0ABmag1和5 次諧波幅值e0ABmag5對(duì)應(yīng)擬合函數(shù)分別為式(10)、(11),基波實(shí)部e0ABre1和5 次諧波實(shí)部e0ABre5對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)分別為式(12)、(13),基波虛部e0ABim1和5 次諧波虛部e0ABim5對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)分別為式(14)、(15)。

        3.2 局部退磁實(shí)驗(yàn)

        對(duì)正常電動(dòng)機(jī)以及局部退磁25%的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)向其中一臺(tái)電動(dòng)機(jī)通入20 Hz的交流電,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生600 r/min的速度,并帶動(dòng)另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),該電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生頻率20 Hz的反電勢(shì),實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)為AB 相對(duì)應(yīng)的線反電勢(shì)e0AB,整理后的e0AB波形如圖11 所示。

        圖10 電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

        圖11 實(shí)驗(yàn)中退磁0和25%對(duì)應(yīng)的e0AB

        對(duì)波形進(jìn)行FFT,將波形對(duì)應(yīng)的最大值以及有效值、基波對(duì)應(yīng)的幅值以及實(shí)虛部、5 次諧波對(duì)應(yīng)的幅值以及實(shí)虛部整理至表6。

        表6 實(shí)驗(yàn)e0AB的相關(guān)量

        將表6 中的數(shù)據(jù)代入前面對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù),退磁診斷精度較高的物理量見(jiàn)表7。表中顯示按最大值擬合函數(shù)進(jìn)行退磁診斷時(shí)有最高的精確度,其他兩個(gè)量對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)雖然精度要低一些,但可用于退磁診斷;對(duì)于FFT得到的5 個(gè)物理量的值和表5 中相應(yīng)退磁程度的仿真數(shù)據(jù)相差太大,用對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)求解得到的結(jié)果精度太差,無(wú)法用于退磁診斷。

        表7 退磁診斷精確度較高的物理量

        退磁25%的實(shí)驗(yàn)和仿真波形對(duì)比如圖12所示,兩個(gè)波形相似但初相位存在一定的差距,這種類似正弦函數(shù)的波形,基波占據(jù)主導(dǎo)部分,即兩個(gè)波形FFT得到的基波相似,所以最大值、有效值和基波幅值擬合函數(shù)精確度高;但由于初相位不同,所以實(shí)驗(yàn)得到的基波實(shí)、虛部和仿真得到的基波實(shí)、虛部差得多,基波的實(shí)部和虛部擬合函數(shù)無(wú)法用于退磁診斷。諧波本身含量低,和原波形的細(xì)微變化存在聯(lián)系,兩者波形雖相似,仍然存在很多細(xì)節(jié)上的差別,導(dǎo)致諧波幅值、相位產(chǎn)生很大的變化,相應(yīng)的擬合函數(shù)無(wú)法進(jìn)行退磁診斷。

        圖12 實(shí)驗(yàn)和仿真中退磁25%對(duì)應(yīng)的e0AB

        4 結(jié)語(yǔ)

        對(duì)于設(shè)置的均勻退磁,利用e0A相關(guān)量對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)進(jìn)行了退磁故障診斷,并且退磁程度劃分得更加細(xì)致,使得原擬合函數(shù)的診斷精度得到提升,使得物理量和退磁程度之間的關(guān)系更加明顯,得到診斷精度更高的分段擬合函數(shù)。

        對(duì)于設(shè)置的局部退磁,利用e0AB相關(guān)量對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)進(jìn)行了退磁故障診斷,并進(jìn)行了分析與驗(yàn)證;同時(shí)單個(gè)繞組對(duì)應(yīng)的e0A(one)也能夠進(jìn)行退磁故障診斷并確定退磁位置,為故障診斷提供了依據(jù)。

        廣大工程科技工作者既要有工匠精神,又要有團(tuán)結(jié)精神,圍繞國(guó)家重大戰(zhàn)略需求,瞄準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和事關(guān)國(guó)家安全的重大工程科技問(wèn)題,緊貼新時(shí)代社會(huì)民生現(xiàn)實(shí)需求和軍民融合需求,加快自主創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用,在前瞻性、戰(zhàn)略性領(lǐng)域打好主動(dòng)仗。

        摘自2018 年習(xí)近平在兩院院士大會(huì)上講話

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