永磁电机退磁(三相永磁同步电机转子偏心故障以及永磁体退磁等故障诊断与分析)

摘 要

目前用于电动汽车的电机类型主要有有刷直流电机、感应电机、永磁电机等，永磁同步电机具有效率高，功率密度和转矩密度大的优点，是极具发展潜力的电机类型。但电机的工况恶劣、振动严重、工作环境温度较高等原因使得电机很容易发生故障，其常见的故障有匝间短 路、转子偏心和永磁体退磁等。本文将简要研究分析故障原因和机 理，并建立起合适的故障工况下的有限元仿真模型，分析和提取其故障特征，并提出一些能应用于电机早期故障诊断的判断依据。

本文研究分析了三相永磁同步电机的绕组断线故障、匝间短路故障、转子偏心故障以及永磁体退磁故障。

1 前 言

随着近年来环境污染和能源短的日益突出，世界各国开始相继重视这两个问题，并提出对策。永磁同步电机作为一种高性能的交流电机，因其具有体积小，可靠性高，功率因数和功率密度高高，效率高等优点。永磁同步电机的运行范围很宽，可以在其额定功率数值 25%-120%的范围内保持很高的运行效率，完全能够适应负载变化比较大的场合。因此，永磁同步电机的发展和推广使用，将能够极大满足当今社会工业对高效电机的需求。

但与此同时，电机作为一个能够实现机电能量之间转换的系统，它的结构是由定子，转子，和轴承等电气系统和机械系统组成，其总体结构较为简单。但电机工作时，具有复杂的机电能量转换过程，在长期运行中，受供电情况、负载工况和运行环境的影响，某些部件会逐渐失效，损坏。

电机的工作原理都是基于电磁理论，主要由电路（绕组）和磁路（铁芯）两大部分组成，其主要故障类型有绕组断线、绕组过热、匝间短路、绝缘老化、铁芯变形及电机转子偏心等，永磁同步电机因其转子上还装设有永磁体，还可能发生永磁体的不可逆退磁故障，总体来说，电机故障种类繁多，原因复杂。电机集电气与机械部件于一体，加之处于高速运转状态中，故障征兆呈多样性，既有电气故障特性，又有机械故障特性；既有电气量(电压、频率、电流、功率等)，也有非电气量(热、声、光、气、辐射、振动等)。

本文主要对一台功率为 11kW 面贴式三相永磁同步电机进行分析，分别仿真分析其发生定子绕组断线故障、定子绕组匝间短路故障、电机转子静偏心与动偏心，以及永磁体的不可逆退磁故障。通过对故障工况有限元分析结果的后处理，总结出了故障特征信息和相关的故障程度评价指标，为提出如何实现永磁同步电机的可靠运行、建立电机的实时故障诊断系统等方面的内容提供了一定的依据。

2 电机的有限元分析模型

将 RMxprt 模块中建立的电机模型导入 Maxwell 2D 中进行有限元仿真计算。电机的

主要参数如表 1 所示：

2.1 空载特性分析

首先，有限元分析了该电机模型的空载特性，包括求解空载反电动势，反电动势的谐波含量，气隙磁场中的径向磁密分布。永磁同步电机空载时，由于电枢电流很小，电机内仅有永磁体所建立的永磁磁场(主磁场和漏磁场)。空载反电动势是永磁同步电机的一个非常重要的参数，E 0 的大小对电机的动、稳态性能都有很大的影响，合理地设计电机的 E 0 可以降低空载电流，提高功率因数和效率，降低电机温升。经分析，本次设计的永磁同步电机空载反电势的幅值与外加电压 U 的幅值的比值在 0.95 左右，证明该电机的设计是成功的，具有良好的空载特性。

2.2 负载特性分析

进一步，对永磁同步电机额定负载下的稳态特性进行了仿真，求取了其输出转矩的波形以及定子绕组铜损、铁芯损耗（包括铁芯磁滞损耗与涡流损耗）；另外求解分析了电机从半载到满载的动态过程，证明了电机具有较好的带载能力和动态性能。为接下来进一步的仿真分析建立了基础。

3 电机故障诊断与分析

3.1 绕组故障分析

仿真中定子绕组采用外电路模型导入的方式赋予激励，外电路模型中三相对称电源为Y 型接法，定子三相绕组为三角接法。并在 C 相绕组的回路中串入一个压控式开关 S_C，该开关在 0.25s 前处于闭合，0.25s 后断开，从而模拟 C 相绕组断路故障的发生。

从结果来看，当定子绕组 C 相断线后，AB 相绕组的相电流迅速增加，电机铜损增加，电机的输出转矩下降，带载能力降低。故障发生后，A 相相电流与线电流相等，C 相相电流为零，但其线电流相位与 B 相相电流相差 180 度，幅值相等。因此，这一依据可以作为对定子某一相绕组断线的故障特征，从而应用于相关的故障诊断系统中。

三相交流电机在运行过程中，其主要组成部分——定子在热、电、机械、环境应力等共同作用下，经常发生匝间短路故障，其发生率高达 30%～40%。

定子绕组的激励仍然采用外电路导入的形式，通过对外电路的设置模拟电机的匝间短路故障。将电机某一极下两个槽中的绕组全部短路，即将 A 相绕组在 0.25s 时刻(共 12 个槽)短路全部匝数 1/6，如此设置是为了建模比较方便，无需对故障绕组的几何模型进行重新修改。

电机正常时，电机的各个线圈之间有良好的绝缘，当电机发生匝间短路故障时，绝缘层被破坏，出现短路电流。因此短路电阻 R f 的值越小，代表故障的程度更加严重。

结果表明，在故障初期，也就是短路电阻较大时，短路电流 i f 较小，故障现象不明显，短路处的发热不大。随着故障的发展，短路电阻迅速减小，短路电流增大，短路处的发热量增大，使得绝缘迅速失效，故障进一步加剧，最终导致绕组完全短路，烧损。因此，短路电流应是评价电机故障程度的一个重要指标。同时，通过对输出转矩的分析，匝间短路故障导致了转矩波动的增加，这表明了气隙磁场发生了畸变。

i f 产生了一个脉振磁场，它会引起气隙磁场的畸变，产生不同于正常运行时的电磁力波，进而导致电机的电磁转矩发生变化。这不但会影响电机的机械性能，还会增大电机定转子径向振动，发出异常的机械噪声。而振动的增大又会导致定子绕组匝间短路故障的进一步恶化，同时短路电流还可以形成去磁磁动势，使电机永磁体发生不可逆失磁。因此，对于永磁同步电机定子绕组匝间短路故障的早期诊断，是非常有必要的。