航空永磁电机失磁分析
永磁电机失磁分析
摘要：永磁电机特别是稀土永磁电机的优良特性使其在航空领域有良好的应用前景。然而永磁电机在恶劣的环境条件下工作时，容易引起电机永磁体的不可逆失磁，从而导致电机性能大幅下降。本文从永磁材料的性能和电机的工作原理入手，分析了稀土永磁电机的永磁体在高温、机械振动、化学腐蚀、交变磁场和时效的作用下的失磁原因，从电机设计和使用的角度提出了减小失磁的措施，并介绍了对永磁体重新充磁的方法和注意事项。
关键词：航空永磁电机，稀土永磁电机，失磁分析，充磁
目次
1 绪论 (1)
1.1 永磁电机在航空上的应用 (1)
1.2 航空永磁电机存在的问题 (1)
2 永磁电机失磁原因分析 (1)
2.1 失磁原因概述 (1)
2.2 热失磁 (1)
2.2.1 热失磁的原因 (1)
2.2.2 衡量永磁材料热稳定性的参数 (2)
2.3 交流失磁 (3)
2.3.1 永磁材料的外磁场稳定性 (3)
2.3.2 电枢反应引起永磁体失磁的机理 (3)
2.3.3 高频交变磁场环境对失磁效应的影响 (5)
2.4 化学腐蚀失磁 (6)
2.4.1 永磁材料的化学稳定性 (6)
2.4.2 氧化和腐蚀的机理 (6)
2.5 振动失磁 (6)
2.6 时效失磁 (7)
2.6.1 永磁材料的时间稳定性 (7)
2.6.2 永磁材料的老化现象 (7)
2.7 接触失磁 (7)
3减小电机永磁体失磁的措施 (1)
3.1 减小材料本身的原因引起的失磁 (1)
3.1.1 添加合金元素 (1)
3.1.2 表面处理 (1)
3.2 减小电机设计的原因引起的失磁 (2)
3.2.1 选择合适的永磁材料 (2)
3.2.2 正确预测电机温升 (2)
3.2.3 正确选择电机永磁体的工作点 (3)
3.2.4 采用可提高电机抗去磁能力的结构设计 (4)
3.3 永磁电机在实际使用时减小失磁的措施 (6)
3.3.1 稳磁处理 (6)
3.3.2 防止接触失磁 (6)
4对永磁体重新充磁的方法和注意事项 (1)
4.1 失磁程度的判定 (1)
4.2 充磁方法 (1)
4.2.1 充磁原理 (1)
4.2.2 充磁过程中的注意事项 (2)
结束语 (5)
1 绪论
1.1 永磁电机在航空上的应用
随着新型永磁材料，特别是稀土永磁材料的大力发展，使永磁电机的性能得以不断提高，永磁电机的应用也越来越广泛。与电励磁电机相比，稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，在航空领域有很强的生命力。目前稀土永磁电机主要作为驱动电动机、伺服电动机和控制电机应用在飞机上的电力作动系统中，如飞控系统、环境控制系统、刹车系统、燃油和起动系统等。随着稀土永磁材料、电力电子、新型控制理论及电机理论的发展，中大型稀土永磁电机也开始在航空领域得到应用。比如在无人机上获得应用的500～2000V A稀土永磁同步发电机、机载电源系统中的45～150kV A大容量稀土永磁发电机以及目前受到国内外广泛关注的一种融合了永磁电机和电励磁电机优点的复合励磁稀土永磁发电机等。
1.2 航空永磁电机存在的问题
永磁电机中永磁体的磁性能直接影响永磁电机的效率、安全性和可靠性。如果电机设计或使用不当，在高温、化学腐蚀、机械振动以及冲击电流产生的电枢反应等因素作用下，电机内的永磁体容易产生不可逆失磁，使电机性能急剧下降，甚至有可能导致电机停转或烧毁。由于航空电机面临着诸多恶劣的工作条件，比如振动和冲击引起的机械过载、起动或反转时的电流过载、以及复杂的大气和温度条件等，而同时航空电机又对可靠性有很高的要求，因此永磁电机要想在航空领域获得广泛的应用，首先要解决电机永磁体的失磁问题。所以有必要分析电机永磁体失磁的原因，找出提高电机抗去磁能力的办法。
2 永磁电机失磁原因分析
2.1 失磁原因概述
造成永磁电机永磁体失磁的原因总结起来可分为以下三种情况：
一、材料本身的原因引起的失磁
永磁材料的热稳定性、时间稳定性、化学稳定性、外磁场稳定性和抗振动性等性能不达标是引起永磁电机永磁体失磁的主要原因。
二、电机设计的原因引起的失磁
由于电机设计时对电机的工作环境和特殊性能要求了解不清，永磁体工作点选择不当等原因，导致永磁电机在使用过程中发生不可逆失磁。
三、电机使用不当或发生故障引起的失磁
电机在恶劣的大气环境、高温或在剧烈机械振动下使用，容易会使电机永磁体失磁。电机起动、短路、堵转、突然停转或反转时，在冲击电流产生的电枢反应的作用下，也可能造成永磁体失磁。另外，若充磁后的永磁体接触强磁性物质，将会引起明显的失磁效应。
永磁体磁性能下降的原因有两种：一种是磁畴结构的变化，即有序排列的磁畴因受
到干扰而被打乱，这种变化通过充磁是可恢复的；另一种是永磁体显微结构的变化，比
如晶界的破坏，这种变化是不可恢复的。本文主要以目前磁性能最高、应用最广的钕铁
硼(NdFeB）稀土永磁电机为例，对电机永磁体失磁的原因进行分析。
2.2 热失磁
2.2.1 热失磁的原因
如图2.2.1所示，当永磁体温度从t0升至t1时，磁通密度沿曲线1由B0降至B1；当
温度从t1回落到t0时，磁通密度沿曲线2回升至B'0，而不是B0。以后温度在t0和t1间变化，磁通密度则在B'0和B1间变化。由图可以看出，永磁体所处的环境温度升高时，磁性能的损失可以分为两部分，即可逆损失RL和不可逆损失IL。而不可逆损失又分为
可恢复损失和不可恢复损失两种情况。
发生可逆去磁效应的原因是由于温升使永磁体内微观粒子热运动加剧，扰乱了电子
自旋的定向度，原子磁矩相互抵消，从而使磁性能减弱。温度回落后，热干扰消失，电
子自旋的定向度恢复，从而使永磁体的磁性能恢复。发生不可逆去磁效应的原因是永磁体中的不稳定磁畴在高温下重新排列，或磁体的显微结构在高温下遭到破坏。前者引起的磁性损失可通过重新充磁而复原，称为可恢复损失；而后者引起的损失充磁后仍不可复原，称为不可恢复损失。多数情况下永磁电机受温度影响所造成的不可逆损失是可恢复的，但是若因电枢绕组烧毁致使温度升至磁体的居里温度以上，磁体的显微结构将遭到破坏，会引起不可逆且不可恢复的磁性能损失。
钕铁硼永磁和铁氧体永磁的磁性能对温度的敏感性较大。如果电机从冷态运行到热态，运行温度提高100℃，一般情况下，钕铁硼永磁电机和铁氧体永磁电机的每极气隙磁通量将分别减少约12.6%和18%~20%，这将显著影响永磁电机的运行特性和参数。
2.2.2 衡量永磁材料热稳定性的参数
热稳定性：指永磁体由所处环境温度的改变而引起的磁性能变化程度。衡量永磁材料热稳定性的参数有永磁体剩余磁感应强度温度系数、永磁体內禀矫顽力温度系数、磁性能的损失率和居里温度与最高工作温度。其中：
永磁体剩余磁感应强度随温度可逆变化的程度用温度系数Br α表示，单位为K -1。
'10Br '010-=100%(t -t )
B B B α? 永磁体內禀矫顽力随温度可逆变化的程度用温度系数cj H α表示，单位为K -1。
''10-=100%(t -t )cj cj cj H cj H H H α?
温度恢复后磁性能的不可逆损失，用损失率IL 表示。
'000
-IL=100%B B B ? 从电机使用的角度看，Br α、cj H α、IL 的绝对值都是越小越好。
关于居里温度和最高工作温度的定义:
随着温度的升高，磁体磁性能逐步降低，升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里温度，又称居里点，符号为T C ，单位为K 或℃。
将规定尺寸（稀土永磁体为φ10mm ×7mm ）的样品加热到某一恒定温度，长时间放臵（一般取1000h ），然后将样品冷却到室温，其开路磁通不可逆损失小于5%的最高保温温度定义为该永磁材料的最高工作温度，符号为T W ，单位为K 或℃。电机实际应
用时所允许的最高温度应低于永磁材料的最高工作温度。
2.3 交流失磁
2.3.1 永磁材料的外磁场稳定性
永磁体在交变磁场作用下表面磁感应强度随时间变化的强度，称为永磁体的外磁场稳定性。永磁电机负载运行时，电枢电流产生的电枢磁动势会对气隙磁场产生影响。其中，交轴电枢磁动势主要使气隙磁场的分布发生畸变，直轴电枢磁动势则对气隙磁场有增磁和去磁效应。当电机负载改变时，由于直轴电枢磁动势的影响，永磁体的工作点随之改变，若初始工作点设臵不当，则会引起永磁体不可逆失磁。此外，电枢反应的高频谐波磁场会加大永磁体失磁速度和失磁程度，磁场频率越高，失磁速度越快，失磁程度越大。将电机永磁体在交变磁场环境下的失磁效应称为交流失磁。
2.3.2 电枢反应引起永磁体失磁的机理
下面用等效磁路解析法说明电枢反应引起永磁体失磁的原理。
如图2.3.2-1所示，可将电机永磁体等效成一个恒磁动势源Fc 和一个恒定内磁导Λ0相串联的磁动势源。图2.3.2-2表示电机负载时外磁路的等效磁路，其中Fa 表示电枢磁动势，Λδ、Λσ分别表示主磁导和漏磁导，图2.3.2-3是图2.3.2-2的戴维南等效磁路，
Λn 是合成磁导，等效磁动势：
'a 0
==+a F F δδσσΛΛΛ（0σ为空载漏磁系数）……（2.3.2）
图2.3.2-4为永磁电机的回复线与合成磁导线，永磁体的工作点是合成磁导线和回复线的交点。联立两个曲线方程： 便可解出永磁体的工作点。
由图2.3.2-3可知，作用于外磁路合成磁导Λn 的磁动势为'm a F F （'a F 增磁取“＋”，
去磁取“－”），因此在用图解法求永磁体工作点时，要将合成磁导线从原点向左右平移
'a F 距离（增磁合成磁导线右移，去磁则左移）
。当负载电流变化时，电枢反应的等效去磁磁动势'a F 会变化，从而使合成磁导线左右移动，进而引起永磁体工作点变化。
依据磁性材料的性质，当退磁曲线呈线性时，回复线与退磁线重合。如图2.3.2-5，电机空载工作点为A 点，若电机负载运行，工作点变为A 1，这时，电机去掉负载后，永磁体剩磁会沿回复曲线回复，不会发生不可逆退磁。
当退磁曲线呈非线性时，如图2.3.2-6，去掉负载后，回复线和退磁曲线不重合，永磁体剩磁沿回复曲线A 1—S 回复，不可能回到R 点，而是回到S 点，永磁体的空载工作点降到A 2；若再次带负载运行，所带负载大于上一次，去掉负载后，永磁体剩磁又会沿回复线A 3—P 回复到P 点，电机空载工作点降到A 4。可见永磁体的剩磁越来越小，工作点也越来越低，长此下去，永磁体发生不可逆退磁。
有的永磁材料（如铁氧体永磁），其退磁曲线上半部分为直线，当退磁磁场强度超过一定值后，退磁曲线出现拐点，拐点一下为曲线，如图2.3.2-7所示。而大部分稀土永磁材料的退磁曲线全部为直线，回复线与退磁曲线相重合，正常情况下可以使永磁电机磁性能在运行过程中保持稳定，不产生不可逆失磁。但是，若材料的热稳定性较差（如钕铁硼材料），当环境温度升高到一定值时，其退磁曲线下半部分会发生弯曲。如图
2.3.2-8所示：
因此，稀土永磁电机的电枢反应同样可能引起永磁体的不可逆失磁。特别是当永磁电机处于起动、堵转、突然停转或突然反转等运行状态或发生短路故障时，电枢绕组中的电流是额定电流的几倍甚至十几倍，此时电枢反应去磁作用很强，永磁体工作点会显
著下降，从而可能导致永磁体产生较大程度的不可逆失磁，严重影响电机性能。
2.3.3 高频交变磁场环境对失磁效应的影响
由于电机自身磁势、磁路以及负载的非线性等原因，在实际使用过程中电机气隙内总会存在各种各样的谐波。若电机磁路结构设计不合理，会产生频率很高的谐波磁场。高频交变磁场的作用，会加快NdFeB永磁体的失磁过程，且磁场频率越高，永磁体失磁速度越快，失磁程度越大。这一效应可用磁体畴壁钉扎与运动模型和畴壁钉扎的热激活效应进行解释。依据畴壁钉扎理论，可对永磁体在交变磁场环境下产生失磁效应的原理作如下解释：磁体在退磁时，其矫顽力是由晶粒边界对畴壁运动的钉扎作用决定的，一段两端被钉扎的畴壁在外场的作用下膨胀时的平衡条件：
r MH
/=2
其中：σ为畴壁能r为膨胀畴壁的曲率半径M为磁体自发磁化强度H为外加磁场强度。
如图2.3.3所示，外场较弱时，畴壁两端被钉扎住，且畴壁在满足平衡条件的前提下膨胀（a→c)，撤去外场后，畴壁可以可逆地回复到原来的位臵a。外场较强时，畴壁膨胀到r=l/2时达到临界值（l为两钉扎点之间的距离），若畴壁继续膨胀，将不再满足平衡条件，畴壁开始发生不可逆膨胀（c→d)，并移动到下一个较强的钉扎点。
在交变磁场的作用下，畴壁脱离平衡位臵发生不可逆移动的临界点就是在磁体退磁曲线上观察到的拐点。当磁体最低工作点不超过拐点时，畴壁的膨胀不会超过其临界点，所以只发生可逆膨胀，外场作用一段时间再撤去后，磁体表面磁感应强度又回复到原来的状态。当磁体最低工作点超过拐点时，磁体畴壁就会发生不可逆膨胀，畴壁在不可逆膨胀的作用下移动到钉扎强度更强的位臵并保持稳定，而钉扎强度增强的方向是磁体失磁的方向，因此在畴壁的移动过程中，磁体产生了失磁。当外场作用一段时间再撤去甚至转向后，磁体表面磁感应强度也不能完全回复到原来的状态，即产生了不可逆失磁。
畴壁的运动在微观上，是畴壁上的单畴颗粒受热激活驱动，克服畴壁能垒自旋翻转的结果。热激活能量越高，单畴颗粒产生自旋翻转的频率就越大，个数就越多。表现在宏观上就是磁体的失磁速度和失磁程度增大。在交变磁场的作用下，磁滞效应造成的能量损耗被磁体吸收，从而增强了颗粒的热激活能量。由于磁滞效应引起的损耗功率与磁场的频率成正比，因此磁场的频率越高，单畴颗粒的热激活能增加越多，颗粒产生自旋
翻转的频率就越大，翻转个数也越多，从而导致磁体的失磁速度和失磁程度也越大。2.4 化学腐蚀失磁
2.4.1 永磁材料的化学稳定性
永磁材料的化学稳定性是指材料的抗氧化和耐腐蚀程度。永磁体的氧化和腐蚀，会导致磁体的化学组成和微观结构遭到破坏，从而引起永磁体产生不可逆且不可恢复失磁2.4.2 氧化和腐蚀的机理
NdFeB永磁体主要由主相Nd2Fe14B、富Nd相和富B相组成，富Nd相中的单质Nd（钕）是化学活性最高的金属元素之一，化学稳定性差，较易发生氧化。另外，由于NdFeB磁体是多相结构，各相间化学电位的不同，容易引起磁体的电化学腐蚀。当处于高温潮湿或者有盐雾、油污的环境以及电化学环境下时，未加防护的NdFeB磁体极易发生腐蚀。
在高温环境下，富Nd区的Nd发生氧化，转变成Nd2O3；主相Nd2Fe14B会发生分解，生成Fe和Nd2O3，进一步氧化，还将出现Fe2O3等产物。
在潮湿环境下，NdFeB磁体表层的富Nd相中的Nd首先与水蒸气发生腐蚀反应，反应方程式为：
3H2O+Nd→Nd（OH)3+3H
反应生成的H渗入晶界中，与富Nd相发生进一步的反应，造成晶界腐蚀，反应方程式为：
Nd+3H→NdH3
这种腐蚀使晶界相的体积增大，导致晶界的破坏。环境湿度对永磁体耐蚀性的影响比温度的影响要大，这是因为磁体在干燥的氧化环境下，形成的腐蚀产物薄膜将磁体与环境分隔开，阻止了磁体的进一步氧化。而在潮湿的环境下生成的氢氧化物或其他含氢化合物则缺乏这种保护作用。若湿度过大，超过了气体的露点，有液体生成时，磁体还将发生电化学腐蚀。在电化学环境中，NdFeB磁体中各相的化学电位不同，富B相和富Nd相相对于主相Nd2Fe14B成为阳极，会优先发生腐蚀。此外，有金属镀层的NdFeB磁体，一旦金属镀层出现空隙、裂纹或蚀坑，在腐蚀介质中磁体与镀层也会发生电化学腐蚀。
由于钕铁硼磁体多采用粉末冶金工艺制造，表面存在着磨削加工所产生的恶化层和材料自身存在的一些气孔、氧化相等。空气中的水分很容易从磁体表面或接近表面的富B相和气孔处进行腐蚀，更加快了腐蚀速度和腐蚀程度。
2.5 振动失磁
永磁体在受到剧烈振动之后，可能会引起永磁体的磁畴结构发生改变，从而导致永磁体的磁性能变差，甚至会造成永磁体不可逆失磁。原理如下：
图2.5振动失磁的原理
图2.5-1为充磁以前，永磁材料内部的磁畴结构。可见其磁畴结构排列杂乱，磁畴内的磁矩因磁化方向不同而使磁性相互抵消，因此在永磁材料充磁以前，对外显示磁性很小。图2.5-2为充磁以后，永磁材料内部的磁畴结构。磁畴因受外加充磁磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列。当外磁场强度增加到一定程度时，磁畴中磁矩的磁化方向与外磁场方向取向完全一致，这时永磁体对外呈现很强的磁性。图2.5-3为充磁后的永磁体因受到高频振动，引起磁矩偏转，导致永磁体磁性能下降，甚至失磁。振动引起的失磁主要出现在马氏体型永磁体中，在稀土永磁体中，振动失磁效应较小。
2.6 时效失磁
2.6.1 永磁材料的时间稳定性
永磁材料充磁以后，不受周围环境或其他外界因素的影响，在室温下长期放臵，其磁性会随时间的延长而略微下降。这是由于饱和充磁后的永磁体内，百分之九十几的区域被磁化至特定方向，但总有一些小磁畴的磁化方向是混乱的，称为“反磁化核”。随着时间的增长，反磁化核会慢慢变大，导致永磁体的磁性下降。但是这种纯粹因时间效应引起的失磁是很微弱的，通常饱和充磁后的永磁体在室温下放臵，其磁性能只在开始的1至2个小时内略有下降，其后随着时间的增长，可认为其磁性能基本不变（变化量小于0.5%)。
2.6.2 永磁材料的老化现象
永磁体在实际使用过程中，可能会受到高低温、机械振动、化学腐蚀、交变磁场等各种环境因素的影响。在外界因素的作用下，永磁体内原有的反磁化核会加速生长，并会产生新的反磁化核。这样，随着使用时间的增长，永磁体的磁性能会有明显的下降，这种现象称之为永磁体的老化。
2.7 接触失磁
在永磁体充磁后的运输、装配和电机使用过程中，若永磁体接触或靠近强磁性体，相当于给永磁体施加了一个退磁磁场，从而引起永磁体失磁。将此类失磁效应称为接触失磁。
3减小电机永磁体失磁的措施
3.1 减小材料本身的原因引起的失磁
3.1.1 添加合金元素
NdFeB永磁材料温度稳定差的主要原因是材料的居里温度低、温度系数大。所以改善Nd-Fe-B 永磁材料的温度稳定性，就要提高居里温度、降低温度系数。主要可通过提高磁晶各向异性场、优化磁体的显微结构等方面着手。
影响NdFeB永磁体耐腐蚀性的关键因素是富钕相的化学特性及其分布状态。因此要通过改善富钕相的组成和分布来提高磁体的耐腐蚀性。主要从以下几方面入手：
1、降低富钕相的化学活性，减少合金发生高温氧化和选择性腐蚀。
2、尽量减小边界富钕相的厚度，减小晶间腐蚀通道，抑制晶间腐蚀速度。
3、增大材料电阻从而减小腐蚀电流，降低电化学腐蚀速度。
添加合金元素能有效改善磁体的微观组织和相的组成，进而改善磁体性能，具体原理是：其一，添加的合金元素在永磁体中可作为替代元素，替代主相中的Fe或Nd等易被腐蚀的元素；其二，添加元素与磁体内的其他元素一起组成了新相，改善了磁体的微观组织；其三，添加元素进入到富钕相，改善了富钕相的性质。例如：添加元素Dy（镝）可替代Nd2Fe14B中的Nd（钕），生成Dy2Fe14B。由于Dy2Fe14B各向异性场远大于Nd2Fe14B 的各向异性场，因此提高了永磁体的矫顽力，增大了其抗去磁能力。添加Nb（铌）元素，可使永磁体晶粒细化、均匀化、规则化，减小材料内部的散磁场，并能阻止冶炼和再复合过程中α-Fe的形成，从而降低较高温度下磁通的不可逆损失，提高了磁体的温度稳定性。
但是研究表明添加单一的合金元素不能使烧结钕铁硼的磁性能（剩磁、矫顽力、最大磁能积和居里温度）得到较理想的改善。往往是某一指标的提高总是以牺牲另一指标为代价。比如：单一添加Dy（镝）元素虽然可提高烧结钕铁硼的矫顽力，但是会使剩磁降低。因此，通常采用不同的元素组合，进行多种元素混合添加，以最大限度地满足对电机永磁体性能的不同要求。例如，复合添加Co+Ni+Al（钴镍铝）的NdFeB永磁体其耐腐蚀性和温度稳定性得到提高。复合添加Co+Dy+Nb（钴镝铌）的钕铁硼永磁体，可使烧结NdFeB的温度稳定性和时间稳定性得到明显改善。
3.1.2 表面处理
对永磁体表面进行涂层处理，用涂层阻止腐蚀性物质的接触和渗透，可有效增强材料的耐腐蚀能力。NdFeB磁体的防腐蚀涂层主要有金属镀层、有机涂层和复合涂层三类。
金属镀层可采用Ni、Zn、Al、Ni-P、Ni-Fe等金属或化合物，用电镀、化学镀等覆
于磁体表面。
有机涂层材料主要是树脂和有机高分子，目前应用最多的是环氧树脂材料。环氧
树脂具有优异的防水性、抗化学侵蚀性及粘结特性，并有足够的硬度。因此覆有环氧树
脂涂层的永磁体具有良好的抗溶剂、抗盐雾、抗冲击能力。
为了获得更好的抗腐蚀效果，可以采用以上几种涂层的组合，形成复合防护体系，比如将化学镀镍和电泳涂层结合起来的复合涂镀层。复合镀层不但具有双重保护的叠加
效果，而且化学镀镍时易于产生的镀层缺陷，将因电泳涂层的良好的覆盖能力而得到修补，而电泳涂层则因在已有化学镀镍作为预处理的良好表面上进行，可以进一步的提高
涂层的结合力和表观质量。
不同类型，不同厚度的涂层的防护能力不同，生产成本也不同。因此要根据永磁体
的使用环境来选择合适的保护涂层。
3.2 减小电机设计的原因引起的失磁
永磁材料的磁性能除了与温度、外磁场、抗腐蚀能力等主要影响因素外，还与永磁体应用的磁路系统设计有关，如磁体尺寸比、工作气隙的长度、磁路的饱和程度、永磁工作点的选择等，合理的设计可最大程度上发挥永磁体的磁性能并减小失磁。
3.2.1 选择合适的永磁材料
设计永磁电机时，首先要考虑的是永磁材料的选择。通常永磁材料的选取原则是：
1、应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。
2、在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。
3、有良好的机械性能，以便加工和装配。
4、经济性好，价格适宜。
航空永磁电机对体积、质量、性能和可靠性的要求很高，价格不是主要的因素，因此应尽量选择磁性能高、稳定性好的永磁材料做电机的永磁体。此外还要考虑不同工作环境对电机永磁体的不同要求。比如：应用在直升机上的永磁电机，永磁材料的抗振性能要好；油泵电机要考虑防油污的腐蚀；在气候炎热，空气潮湿甚至有盐雾的沿海地域，永磁体抗氧化腐蚀的性能要好；电机负载运行时若存在较大的去磁磁势，则应选用矫顽力较大的永磁材料。
3.2.2 正确预测电机温升
电机温升是指电机与环境的温度差，电机运行过程中各部位的能量损耗是引起温升
的原因。包括电枢绕组的铜耗、铁心损耗和其他杂散损耗，以及高速无刷电机中转子的
风摩损耗。在永磁同步电机中，由于受到磁场空间谐波和时间谐波的作用，永磁体内还
存在涡流损耗。温升使电机永磁体所处的环境温度升高，导致永磁体性能下降，甚至会
引起不可逆失磁。温升预测关系到永磁材料的选择、永磁体工作点的计算和电机结构设计等，是电机设计过程中很重要的一步。要正确预测温升，首先要获取准确的热源分布，其次要选择有效的分析方法。
3.2.3 正确选择电机永磁体的工作点
航空永磁电机在设计时要充分考虑电机运行的可靠性，因此必须对电机的工作点进行最大去磁校核。此外由于钕铁硼材料的磁性能对温度的敏感性很大，因此进行工作点计算时，要根据材料的实测退磁曲线将材料在室温下的磁性能指标（Br 、Hc 等）换算到工作温度时的数值，并以此为基值进行计算。考虑到高温对材料退磁曲线的影响，还要对电机最高工作温度进行预测和限定。
下面以永磁直流电动机为例，说明确定永磁体工作点时的注意事项。
永磁体的最大去磁工作点取决于电枢反应的最大去磁磁动势，最大去磁磁动势取决于电机可能产生的最大瞬时电流，由永磁电动机的基本电压方程：
a a U=E a
b I R U ++?
U ：电机端电压；Ra ：电枢回路内阻；△U b ：一对电刷的接触压降
可得以下几种特殊工作状态下的电枢电流值：
1、电动机起动：在加电压的初瞬间，转子由于惯性来不及转动，n=0，Ea=0，由电压平衡方程可得起动时最大瞬时电流，同时也是堵转电流：
I max = （U-△U b )/R a
2、突然停转：突然停转是指电动机在电压U 下正常运行时，突然将其断电，此时电枢电压U=0。在U=0的初瞬间，由于转子惯性，电动机转速n 来不及变化，相应的反电动势Ea 也不变，因此突然停转时最大瞬时电流：
I max = （-E a +△U b )/R a
3、突然反转：突然反转是指电枢电压由+U 突然变到-U ，而由于转子惯性，n 和Ea 都来不及变化，此时的最大瞬时电流：
I max = （U+ E a -△U b )/R a
由上述几种特殊工作状态下的负载电流得出作用于永磁体上的最大去磁磁动势，并求出此时永磁体的工作点，看其是否位于最高工作温度下永磁体退磁曲线的拐点之上。若在拐点之下，需对电机磁路设计进行调整，使其位于拐点之上，并留有一定余量。
永磁体工作点的计算方法有传统的等效磁路解析法和电磁场数值分析计算法。由于等效磁路法的前提是把空间实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近
似认为在每段磁路中磁通沿截面和长度均匀分布，从而将磁场的计算转化为磁路的计算。所以用等效磁路法得到的最大去磁工作点是一个平均值。而事实上，在永磁体内不同单元的工作点是不同的，即永磁体的工作点具有局部性。因此采用等效磁路法进行工作点去磁校核，电机永磁体仍可能会发生局部失磁。
电磁场数值分析法中应用最广泛的是有限元法，有限元法的基础是对电机内部的磁场进行网格剖分，将其分成有限个小单元，并且不同的部位采用不同的分割方法，然后对每一个小单元进行数值分析，最后列出方程组求解，求解过程可借助计算机实现。运用有限元分析法进行磁场分析，可较好地反映永磁电机内部磁场分布的实际情况。所以用有限元法求得最大去磁磁势下永磁体的最低局部工作点，并以此进行去磁校核，可在很大程度上避免电机局部失磁。
3.2.4 采用可提高电机抗去磁能力的结构设计
永磁电机的结构设计包括定、转子型态的设计、永磁体尺寸的设计、气隙长度的选择、电枢绕组的设计以及定、转子槽的设计和槽数的选择等。电机的结构决定了电机内部的磁路结构和电机的性能参数，因此结构设计是电机中最重要也最困难的环节。本节探讨了有利于减小电机永磁体失磁的结构设计方案，旨在为电机整体设计过程中，通过优化结构减小失磁提供思路和努力的方向。
一、减小电机温升
1、通过加强散热措施来减小温升
通过加装散热装臵和选用导热性良好的材料制作电机壳体可改善电机的散热条件。永磁无刷直流电动机有外转子和内转子两种结构，对于内转子结构，由于将发热的电枢绕组装在外围的定子上，散热相对容易；对于外转子结构的电机，虽然提高了性能，但恶化了电机散热条件，因此尤其需要加强散热处理。
2、通过减小电机运行过程中的能量损耗来减小温升
由3.2.2节知道，电机的能量损耗主要包括电枢绕组的铜耗、铁心损耗、永磁体内的
涡流损耗和高速无刷电机中转子的风摩损耗。其中，减小铜耗可通过增大导线的截面积，减小导线电阻实现，但这样会使电机体积和质量变大。减小铁耗可通过选用材质较好的
硅钢片压制的铁心来实现。减小风摩损耗可通过增大气隙、减小转子表面粗糙程度、减
小转子直径和转轴长度等方法来实现。永磁体内的涡流损耗是由谐波引起的，所以可通
过减少谐波来减小涡流损耗。具体可通过选取合适的定、转子槽配合、增大气隙长度（但
气隙长度增大同时会引起永磁体抗电枢反应的去磁能力变弱）、采用正弦绕组、合理
设计极弧系数、减小槽开口宽度或采用闭口槽等措施实现。另外，也可采用对永磁体分
块的方法减小永磁体中的涡流损耗，但这样对永磁体的加工、充磁和装配提出了更高的
要求。
二、增大空载漏磁系数
由式2.3.2：'a 0
==+a F F δδσσΛΛΛ，可得增大漏磁导Λσ可增大空载漏磁系数0σ，空载漏磁系数越大，对电枢反应的分流作用就越大，电枢反应对永磁体两端的实际作用值'a F 就越小，即电枢反应的去磁磁动势对永磁体的影响就越小。但是0σ较大时，永磁体的利用
率就较差，因此设计时要综合考虑，选取合适的0σ值。
三、给永磁磁极加装极靴
无极靴结构的磁极，永磁体直接面向气隙，漏磁系数小，能产生尽可能多的磁通，材料利用率高。但是是电枢反应直接作用于永磁磁极，容易引起不可逆失磁。有极靴结构时，如图3.2.4-1所示，交轴电枢反应磁通经极靴闭合，对永磁磁极的影响较小，同时又可起聚磁作用，提高气隙磁密。但是其结构复杂，制造成本增加，漏磁系数较大，负载时气隙磁场的畸变较大。
四、采用组合磁极结构
永磁直流电动机交轴电枢磁动势对磁极的一半起增磁作用，另一半起去磁作用。利用这个特点，对于旋转方向固定的永磁直流电动机，可以采用两种材料制成的组合磁极
结构，即在每个极的去磁区用抗去磁能力强的永磁材料，而在增磁区则用性能较低而价
格便宜的永磁材料。如图3.2.4-2为钕铁硼—铁氧体组合结构示意图。采用此类组合式
结构，可以在保证电机性能的前提下，减少永磁体失磁程度，并降低成本，但缺点是制
造工艺较复杂。
五、增大永磁体的磁化方向长度，进而增大永磁体的抗去磁能力
永磁体的磁化方向长度越大，其抗去磁能力就越强，但是磁化方向长度过大不但会
造成永磁材料的要浪费，增加成本，而且会给电机磁路设计带来不便。
减小电机失磁的结构设计有很多，但是某些措施的采取会影响电机的其他性能，所
以电机设计过程中要统筹兼顾，使电机综合性能达到最佳。
3.3 永磁电机在实际使用时减小失磁的措施
3.3.1 稳磁处理
稳磁处理又叫老化处理，在电机使用以前，通过对永磁体的老化处理，预先消除一部分可预测的不可逆失磁。
一、人工时效处理
把永磁体保持在高于常温的某一温度下一定时间，以加速自然时效过程，预先消除因自然时效引起的失磁。饱和充磁后的永磁体，经一定程度的人工时效处理后，其磁性能几乎不再随时间推移而下降。
二、高温稳磁处理
根据规定，永磁材料由室温升到最高工作温度并保温一定时间（一般为2~4小时）后再冷却到室温，其开路磁通允许有不大于5%的不可逆损失。为了保证永磁电机在运行过程中性能稳定，在新电机或重新充磁的电机使用前，可先进行高温稳磁处理，以预先消除这部分不可逆损失。
三、交流退磁处理
将充磁后的永磁体臵于一定频率的交变磁场中，进行交流退磁处理，退磁量要适当，一般为5%~10%，以增强永磁体在交变磁场环境中的磁稳定性。
稳磁处理是以损失永磁体一部分磁性能为代价的，所以要根据电机性能的要求，确定稳磁处理的程度。稳磁处理要在与永磁体所处工作环境相似的条件下进行。
3.3.2 防止接触失磁
在永磁电机的装配和使用过程中，应禁止电机永磁体接触或靠近强磁性体，从而避
免接触失磁。另外在永磁体表面涂上非磁性膜，用非磁性材料进行磁屏蔽，可显著减小
接触失磁效应。
4对永磁体重新充磁的方法和注意事项
4.1 失磁程度的判定
以永磁直流电动机为例，电机失磁以后，永磁体的剩余磁感应强度下降，电机每极气隙磁通量减少，由转矩计算公式：==2em a T a pN T I C I a
??π可得电机的输出转矩减少，电机性能下降。如果失磁严重，电机将可能因不能驱动负载而造成堵转，使负载电流过大，甚至会烧毁电机。随着永磁电机使用时间的增长，永磁体的老化是不可避免的。因此，及时对永磁体失磁程度进行判定，对航空产品的可靠性和安全性非常重要。通常情况下可依据经验确定电机使用多长时间后，需要对其进行检测。检测的方法如下：
一、空载试验 对于直流永磁电动机，由空载转速公式0-=b e U U n C φ
?得：电机永磁体失磁，将引起空载转速升高，且失磁程度越大，转速升高越多。用空载试验进行检测可不必对电机进行拆解，操作简单，所以当估计电机可能发生失磁故障时，可先用空载试验进行验证。
二、仪表检测
用磁通表可检测电机的每极磁通量，用特斯拉计可检测电机气隙、磁体的表面和距磁体一定距离处的磁场强度， 用直流磁特性测试仪可同时测试永磁体的剩磁、矫顽力和最大磁能积。仪表检测需将电机进行拆解，并可精确测出电机永磁体的失磁量。
4.2 充磁方法
本节以电容放电脉冲式充磁装臵为例，对充磁原理进行简单介绍，并指出对失磁的永磁体进行重新充磁时的注意事项。
4.2.1 充磁原理
永磁电机是依靠永磁体充磁后的剩磁产生的气隙磁场来工作的，所以永磁体的充磁质量（包括磁化极区的宽度、磁化极区的磁密分布、磁化方向及磁化强度等），对电机性能有很大影响。对永磁体充磁是通过外加磁场的磁化作用实现的，外加磁场通常由充磁电源与充磁夹具产生，充磁电源通常又分为直流式与电容脉冲式两种。直流式充磁装臵所能产生的充磁磁场能量较低，仅用于对矫顽力不高的永磁体进行充磁。而稀土永磁材料的矫顽力很高，需要强大的充磁磁场能量才能使其达到磁饱和。所以对稀土永磁体进行充磁，一般采用电容放电脉冲式充磁装臵。脉冲充磁电路一般由供电系统、充电系统、储能电容、放电系统、充电线圈、监视系统、控制系统七部分组成，各部分关系见图4.2.1-1。
实际的充磁电路可简化成图4.2.1-2所示电路。220V、50Hz交流电由双向晶闸管lV 控制，经整流变压器T升压、二极管2V整流后对电容C充电，将能量储存起来；充磁时，控制晶闸管3V导通，使能量在极短的时间内通过模具线圈L释放出来，形成强脉冲磁场，对永磁体进行充磁。充磁磁场的强度与电容放电电流即磁化电流大小有关，充
磁磁场的持续时间与电容放电时间即磁化时间长短有关。
4.2.2 充磁过程中的注意事项
一、正确选择充磁方向
形状完全相同的永磁体，若充磁方向不同，则其磁化方向不同，进而永磁电机气隙
内的磁场分布便不同。因为永磁电机在设计时，气隙内的磁场分布便已经确定，如果未
按正确的方向对永磁体进行充磁，会改变电机气隙磁场分布，严重影响电机性能，甚至
可能使充磁失败。如图4.2.2-1是表贴式永磁体的三种不同充磁方向的比较。径向充磁时
永磁体的磁化方向沿转子半径向内或向外辐射，磁体沿圆周各点磁化方向长度相等；平
行充磁的磁体磁化方向平行于磁体中心线，磁体的磁化方向长度在磁体中心线处与径向
充磁相等，左右两边先增加后减小；Halbach （海尔贝克）磁化结构的每极磁体分成多块，每块磁体的充磁方向不同。
二、准确计算充磁能量
对永磁体充磁以前，需要准确计算充磁能量，以确定充磁电压和充磁装臵电容器的容量。永磁材料磁化达到饱和所需的计算充磁能量E 为：
2
01=H 2
s E V 式中： μo —真空磁导率
H s —材料饱和磁场强度
V —永磁体的体积
由于实际充磁过程中总是存在能量的损耗（包括：充磁装臵的线路损耗、磁路损耗及永磁体的涡流损耗和磁滞损耗等），在计算充磁能量时这些损耗是不能忽略的。所以对于电容放电脉冲式充磁装臵充磁能量应满足下列基本关系：
=+++c r hr w A E A A A 式中：21=2
c A CU ——电容器的储能 r A ——充磁装臵线路损耗
hr A ——充磁装臵的磁路损耗
w A ——涡流损耗与磁滞损耗
C ——充磁装臵电容器容量
U ——电容器端电压
将稀土永磁体磁化到完全饱和很难做到，实验表明使稀土永磁体达到磁饱和所需的
横向磁场永磁电机的发展和研究现状
横向磁场永磁电机的发展和研究现状 【摘要】横向磁场永磁电机因其高转矩密度和高效率的优点，吸引各国电机设计人员们对其结构设计、制造工艺、磁场分析及运行性能等方面展开了具体研究。在查阅现有的国内外相关文献资料的基础上，系统介绍了横向磁场永磁电机的主要拓扑结构的特点，分析了当前国内外横向磁场电机的主要研究方向，最后对其应用前景进行了展望。 【关键词】横向磁场；拓扑结构；自定位转矩；功率因数 1.引言 横向磁场永磁电机（Transverse Flux Permanent Magnet Machine，简称TFPM）是由德国著名电机专家H.Weh教授率先于1986年提出的一种新型电机结构，与传统电机相比，横向磁场电机具有以下特点[1][2]： （1）电机的每相都完全独立，因此相与相之间没有电磁耦合，可提高电机的容错能力。 （2）电机磁路呈三维分布，磁路与电路（线圈部分）处于不同平面，定子尺寸和线圈尺寸相互独立，从而使TFPM能够同时获得较大的定子齿横截面和线圈横截面，大大提高了电机的转矩密度，其输出大约是标准工业用异步电机的5~10倍。 （3）在保持转速、电机主要尺寸、气隙磁密等参数不变时，TFPM的功率与电机的极对数成正比，适用于低速、大转矩场合。 近几年来，随着电动车、电力直接推进装置和风力发电技术研究的深入，对高转矩密度、低速直接驱动电机的要求更为迫切，于是横向磁场永磁电机因其上述优点成为了新型电机的研究热点之一。许多欧美经济发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行横向磁场电机的理论和应用研究，丰富了横向磁场永磁电机的拓扑结构，促进了横向磁场电机的发展。本文较系统地介绍分析了当前横向磁场永磁电机的主要拓扑结构，阐述了当前国内外横向磁场电机的主要研究方向和方法，并对横向磁场电机存在的问题也做了简单介绍。 2.横向磁场电机的拓扑结构形式 按照永磁体的有无及安装方式来分，横向磁场电机拓扑结构可以分为四类：平板式、聚磁式、无源转子式和磁阻式[3]。 图1为德国亚琛的G.Henneberger教授设计的外转子平板式横向磁场永磁电机。这种结构中，永磁体被均匀地平铺于转子表面，相邻的永磁体被充磁成不同的极性，充磁方向一般为径向，U形定子铁心以两倍极距均匀分布在圆周上，其
永磁同步电动机电磁场计算中定转子空间相对位置确定的研究
第34卷第2期2004年3月 东南大学学报( 自然科学版) JO UR NAL OF S OUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition) Vol 134No 12 Mar.2004 永磁同步电动机电磁场计算中定转子 空间相对位置确定的研究 刘瑞芳1,3 严登俊2 胡敏强1 (1东南大学电气工程系,南京210096)(2河海大学电气工程学院,南京210098)(3北京交通大学电气学院,北京100044) 摘要:采用通用有限元软件对永磁同步电动机电磁场分析时,存在着电动机定、转子轴线相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是任意负载下磁场计算的前提.本文通过研究电动机电磁量之间的关系找到特定内功率因数角下气隙合成电势和内功率角的特征.提出一种相当于逆问题分析的处理方法,在不同定子电流初相位下进行计算,搜寻对应于特定内功率因数角磁场分布,从而求得定转子空间的初始相对位置. 关键词:永磁同步电动机;有限元;定转子空间相对位置 中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2004)022******* Investigation in determining the relative position between stator and rotor of a PMSM in electromagnetic field calculation Liu Ruifang 1,3 Yan D engjun 2 Hu Minqiang 1 (1Department of Electrical Engineering,Southeas t Univers ity,Nanjing 210096,C hina)(2C ollege of Electrical Engineering,Hohai Univers ity,Nanjing 210098,C hina)(3School of Electrical Engineering,Beijing Ji aotong University,B eiji ng 100044,Chi na) Abstract:When designing universal finite ele ment sof tw are for analyzing the per manent magnet synchronous motors (PM S Ms),the relative position of the stator and rotor a xis remains unkno wn.How ever determining the relative position is a precondition for electroma gnetic field calculation.Through analyzing the basic relationship of variables in synchronous machines the characteristics of air gap resultant E M F and inner power angle under special inner po wer factor angle can be obtained.A technique similar to inverse problem solving is proposed in this paper.A series of electromagnetic field calculation under different armature current initial phase angles are carried out firstly,then through searching the field of special inner pow er factor angles the relative position of rotor and stator can be determined subsequently.Key words:PM S M;finite element method (FE M);relative position of stator and rotor 收稿日期:2003201222. 作者简介:刘瑞芳(1971)),女,博士生;胡敏强(联系人),男,博 士,教授,博士生导师,m qhu@https://www.sodocs.net/doc/3a14000739.html,. 在永磁同步电动机通用软件设计中,存在着电动机定、转子相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是进行永磁同步电动机负载磁场计算的前提.现有文献多采用根据具体电动机的结构和槽号 分配来判断定、转子轴线相对位置[1~3].但对通用程序,软件系统应当具有自动判断定、转子初始相对位置的功能,否则会使用户对程序的干预大大增加,不易实现程序的自动化和通用化. 1 定转子空间相对位置的确定问题 根据M axwell 方程,永磁同步电动机的二维电磁场边值问题可以表述为
弱磁运行下异步电动机调速系统的转矩及功率特性
ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T sing hua Un iv (Sci &Tech),2011年第51卷第7期 2011,V o l.51,N o.71/26873-878 弱磁运行下异步电动机调速系统的转矩及功率特性 杨 耕1, 郑 伟1, 陆 城2, 陈伯时3 (1.清华大学自动化系,北京100084;2.台达能源技术(上海)有限公司,上海201209; 3.上海大学机电学院,上海200072) 收稿日期:2010-06-04 基金项目:国家自然科学基金项目(60674096)作者简介:杨耕(1957)),男(汉),四川,教授。 E -mail:yan ggeng@mail.tsin https://www.sodocs.net/doc/3a14000739.html, 摘 要:在弱磁调速下,异步电动机变频系统电磁转矩控制的非线性特性、以及系统最大输出电压和电流的限制,使得转矩和功率控制比较复杂。该文分析了弱磁调速区间内最大电磁转矩与电动机参数、系统电压电流约束之间的关系,给出了改善控制性能所需的系统最大电磁转矩和最大功率随定子同步频率以及最大电流约束变化的定量关系。实物实验验证了这些特性。 关键词:感应电动机;弱磁控制;转矩特性;弱磁区域中图分类号:T M 301;T M 346文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2011)07-0873-06 Torque and power characteristics of induction motor drive in flux weakening region YANG G en g 1,ZHE NG Wei 1,LU Chen g 2,CH EN Boshi 3(1.Department of Automation,T singhua University, Beijin g 100084,China; 2.Delta Electronics (Shanghai)Co.,Ltd. Shanghai 201209,China;3.S chool of Mechatronics Engineering and Automation, S hanghai University,Shanghai 200072,China)Abstract:In the flux -weakening operation regi on of an inverter -induction m otor drive,th e control of electromagnetic torque (EM T)and pow er becomes complicated,due to the nonlinear characteris tic of th e EM T and output voltage/current con strain ts of the drive.For th e con trol performance im provement,this paper describ es th e fun ction of th e max imum EM T about the m otor param eters an d th e voltage/current cons traints,and pres ents th e algorithms of th e m aximum E M T and th e electromotive pow er along w ith the variation of stator frequ ency as w ell as the current limitations.T est res ults verify the algorithm s.Key words:induction m otor; flux w eak ening control; tor qu e characteristic;flux w eakening region 一般认为,异步电动机在额定频率以上的弱磁运行具有恒功率调速的特性[1-3] ,但在交流变频器驱动电机运行时,由于变频器最大输出电压和最大输出电流的限制(以下简称为电压电流限制),此时的 调速特性远比一般所述的/恒功率特性0复杂。然而,从系统实现的角度出发,如果采用具有转矩控制内环的结构,由于弱磁运行时电磁转矩控制环和磁 链控制环之间不再解耦,系统需要实时求取电压电流限制下随速度变化的电磁转矩指令以及励磁电流指令。此时的系统控制框图可用图1表示,励磁电流指令的求取如图中阴影部分所示,需要求解一个由多个变量构成的超越方程。由于算法十分复杂, 基于现有的实时控制器难以实现。 图1 具有转矩闭环的典型弱磁控制方法示意 迄今,韩国学者Kim 和Sul 提出的转矩最大化的弱磁调速方法[4-5]最具影响力。该方法的基本结构仍然同图1,其基本思想是:假定调速过程中弱磁变化缓慢,从而可以基于转子磁场定向条件下的电机模型分析问题;首先基于系统电压、电流限制给出弱磁调速范围内对应同步频率所能产生最大电磁转矩的励磁电流曲线;然后在实时系统中依此曲线给出励磁电流指令,同时根据最大电流限制和励磁电流对转矩电流指令进行限幅。该方法避免了超越方程的实时求解,也保证了在缓慢弱磁过程中系统对最大电流和最大母线电压最大程度地利用,因
永磁同步电机失磁故障的对策分析
永磁同步电机失磁故障的对策分析 1.引言 永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，应用范围极为广泛，遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前，永磁电机的应用领域仍在不断的拓展，风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此，为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性，必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。 嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件，它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下，嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁，使电机性能急剧下降，甚至有可能导致电机停转，对于像电动汽车这样的应用系统，永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此，分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障，对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。 2.国内外研究现状 近年来，国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究，总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象，分析了引起电机失磁的原因，提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障，提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析，提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法，可用于永磁体磁链估计。 3.永磁同步电机失磁的发生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特
永磁同步电机弱磁调速
永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 专业：电气工程及其自动化 学生： 学生学号: 学生班号:
本篇论文是从阅读文献报告的角度来解读论文的。 稀土永磁同步电机早在上世纪七十年代就开始出现，现在已被广泛使用，其具有重量轻、体积小、效率高、弱磁扩速能力强等一系列优点，成为航空、航天、武器装备、电动汽车等领域重要发展方向。由于永磁同步电机磁场结构复杂，使得计算准确度差，磁极形状与尺寸的优化，调速性能等都是永磁电机设计的难点。这些年来，如何提高永磁同步电机恒功率调速比的问题是研究的重点，永磁电机及其驱动器的设计成了电机领域研究的热点课题。 本文主要研究容是对置式永磁同步电机设计及弱磁性能的研究。 分析永磁同步电机(PMSM)数学模型的基础上，通过阐述弱磁调速的控制原理，提出了一种基于电流调节的PMSM定子磁链弱磁控制算法，有效地拓宽了恒功率调速比。并在Matlab/Simulink环境下，构建了永磁同步电机弱磁控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。仿真结果证明了该控制系统模型的有效性，恒功率调速比达到了4： 1，为永磁同步电机弱磁调速控制系统的设计和调试提供了理论基础，有一定的实际工程价值。 关键词：置式；永磁电机；弱磁控制；电流跟踪算法；仿真建模
目录 永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 (1) 一、研究的问题 (4) 二、研究方法 (5) 2.1 永磁电机的数学模型 (5) 2.2弱磁调速原理 (6) 2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系统仿真模型建立 (7) 2.4 仿真结果 (11) 三、解决效果 (12) 3.1 结论 (12) 3.2感悟与体会 (12)
永磁电机转子磁钢退磁问题分析
永磁电机转子磁钢退磁 问题分析 The manuscript was revised on the evening of 2021
关于永磁同步电机转子磁钢退磁问题分析 于平 2015年7月30日 鉴于前期测试伺服电机及客户现场也有出现过伺服电机转子磁钢退磁的情况，经查阅相关资料并结合实验数据，对永磁体退磁原因进行如下分析。 永磁同步电机具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度、高调速范围等优点，现已广泛用于军事、工业、农业等各个领域，特别是伺服行业，几乎都是使用永磁同步电机作为执行机构。但是由于永磁体的热稳定性不良、设计经验不足以及使用不当等原因，会造成在使用过程中磁钢出现不可逆退磁。磁钢退磁，会使电机的性能下降，甚至无法使用。所以本文旨在从永磁材料、电机设计、电机使用等方面分析永磁体退磁原因，以供后续参考。 一、永磁体的特性 1、永磁体的工作点及回复线 、永磁体的退磁曲线为直线时（图一），k点为退磁曲线的拐点，当电机带载工作点在k点之上是，卸载后磁钢剩磁会沿着直线B r k回到B r点，当电机带载工作点在k点之下，如P点，此时卸载后磁钢剩磁会沿着直线RP回到R点，此时已造成不可逆退磁。 、永磁体的退磁曲线为曲线时（图二），当电机带载后，工作点为A1,卸载后，回复线不会与曲线A1R重合，而是以A1A2S作为回复线，此时如果电机带载工作点不超过A1，则以A1A2R作为回复线，一旦带载工作点超过A1，假如到了A3点，则会以A3A4P作为回复线，长此下去，不可逆退磁将会越来越严重。
图一退磁曲线为线性时的永磁体工作图图二退磁曲线为曲线时的永磁体工作图 2、温度特性 温度的变化会引起磁钢性能的变化，特别是钕铁硼永磁体，它对温度很敏感（图三），当温度超过一定值，材料磁性能将沿着曲线1逐渐降低，当温度恢复后，它的剩磁将会沿着曲线2进行恢复，造成不可逆退磁。而从图四可以看出，常温下，钕铁硼永磁体的退磁曲线为一条直线，没有拐点，当温度上升时，永磁体的退磁曲线出现拐点且拐点值随着温度的上升而变得越来越大，最低工作点也将越来越高。 图三钕铁硼材料的热退磁图四温度对退磁曲线的影响 3、震动特性 永磁体在收到剧烈的震动或者是敲打后，有可能引起其内部畴发生变化，磁畴的磁矩方向发生变化后, 磁钢磁性能会变差, 就会造成磁钢退磁。
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：
永磁电机转子磁钢退磁问题分析
关于永磁同步电机转子磁钢退磁问题分析 于平 2015年7月30日 鉴于前期测试伺服电机及客户现场也有出现过伺服电机转子磁钢退磁的情况，经查阅相关资料并结合实验数据，对永磁体退磁原因进行如下分析。 永磁同步电机具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度、高调速范围等优点，现已广泛用于军事、工业、农业等各个领域，特别是伺服行业，几乎都是使用永磁同步电机作为执行机构。但是由于永磁体的热稳定性不良、设计经验不足以及使用不当等原因，会造成在使用过程中磁钢出现不可逆退磁。磁钢退磁，会使电机的性能下降，甚至无法使用。所以本文旨在从永磁材料、电机设计、电机使用等方面分析永磁体退磁原因，以供后续参考。 一、永磁体的特性 1、永磁体的工作点及回复线 1.1、永磁体的退磁曲线为直线时（图一），k点为退磁曲线的拐点，当电机带载工作点在k点之上是，卸载后磁钢剩磁会沿着直线B r k回到B r点，当电机带载工作点在k点之下，如P点，此时卸载后磁钢剩磁会沿着直线RP回到R点，此时已造成不可逆退磁。 1.2、永磁体的退磁曲线为曲线时（图二），当电机带载后，工作点为A1,卸载后，回复线不会与曲线A1R重合，而是以A1A2S作为回复线，此时如果电机带载工作点不超过A1，则以A1A2R作为回复线，一旦带载工作点超过A1，假如到了A3点，则会以A3A4P作为回复线，长此下去，不可逆退磁将会越来越严重。 图一退磁曲线为线性时的永磁体工作图图二退磁曲线为曲线时的永磁体工作图 2、温度特性 温度的变化会引起磁钢性能的变化，特别是钕铁硼永磁体，它对温度很敏感（图三），当温度超过一定值，材料磁性能将沿着曲线1逐渐降低，当温度恢复后，它的剩磁将会沿着曲线2进行恢复，造成不可逆退磁。而从图四可以看出，常温下，钕铁硼永磁体的退磁曲线为一条直线，没有拐点，当温度上升时，永磁体的退磁曲线出现拐点且拐点值随着温度的上升而变得越来越大，最低工作点也将越来越高。
field_weaken 异步电机弱磁调速
异步电机弱磁调速 异步电机矢量控制的调速范围可以通过减弱磁场来增大，这种调速方式被称作“弱磁调速”，在Turbo PMAC中，可以通过一个简单的程序来实现这种调速方式。 弱磁调速的基本用法是：当转速达到现有电枢电压下的极限（即反向电动势等于电枢电压）减弱转子场强，以达到速度极限增大的效果。磁场强度在一定范围内与速度大致成反比，磁场强度是由定子的Id（平行于磁场方向的电流）指令控制，在Turbo PMAC中为Ixx77变量。但实际磁场变化会滞后于Ixx77一个相对较大的电气时间常数（电感的电流滞后于电压）。Turbo PMAC的“滑差（转差）增益”参数Ixx78是相更新时间（相周期）除以转子时间常数，Turbo PMAC使用“滑差增益”与“开环估计器”计算代表磁场强度的转子励磁电流。 我们也可以使用Ixx78滑差增益预测转子励磁电流的滞后，还可以加速定子Id指令的变化以对滞后做出一定的补偿。由于这个算法并非每个相周期都会运行，我们将针对PLC0计算等效的滑差时间常数，一个介于实时中断与转子电气时间常数之间的值。 由于转子的磁场强度决定电机的力矩常数，因此控制场强也相当于控制了反馈回路增益，在减弱磁场的同时回路增益也将减小。为对此做补偿，我们需要同时更改位置环比例增益Ixx30，Ixx30的变化应与估计的转子励磁电流成反比，以确保回路全局增益保持不变。 下面的例子是在4号电机上操作，您可以做简单的更改以操作其他电机。它基于期望速度来控制磁场，因期望速度比实际速度更平滑，但在使用时应确保实际速度与期望速度相差不是太大，否则，应使用实际速度控制磁场。 ；变量替换及定义 ；I变量 #define ServoPeriod I(I19+5) ；每个伺服周期内相周期个数 #define PLC0Period (I8+1) ；每个实时中断周期内伺服周期个数 #define Mtr4CmdId I477 ；指令直接电流（Id） #define Mtr4SlipGain I478 ；滑差增益，由转子时间常数得出 #define Mtr4PropGain I430 ；控制回路增益 #define Mtr4MaxIq I469 ；伺服输出限幅值（Iq，力矩电流） ；用于自动计算的M变量 #define Mtr4EstIm M480 ；估计励磁电流，PMAC自动计算 Mtr4EstIm->Y:$000237,8,16,S ；以Ixx77为单位 #define Mtr4ActId M476 ；实际Id，来自（霍尔）传感器 Mtr4ActId->Y:$000239,8,16,S ；以Ixx77为单位 #define Mtr4DesVel M455 ；期望速度 Mtr4DesVel->X:$00021A,0,24,S ; 1/[Ixx08*32]cts/[Ixx60+1]cyc #define Mtr4ActVel M456 ；实际速度，来自编码器 Mtr4ActVel->X:$00021D,0,24,S ; 1/[Ixx09*32]cts/[Ixx60+1]cyc ；用于算法的P变量 #define Mtr4DesIm P470 ；期望的励磁电流
新型横向磁通永磁电机磁场研究
第27卷第24期中国电机工程学报V ol.27 No.24 Aug. 2007 2007年8月Proceedings of the CSEE ?2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2007) 24-0058-05 中图分类号：TM341 文献标识码：A 学科分类号：470?40 新型横向磁通永磁电机磁场研究 褚文强，辜承林 (华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市 430074) Study on Magnet Field of Novel Transverse-flux Permanent Magnet Machine CHU Wen-qiang, GU Cheng-lin (College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China) ABSTRACT: Firstly，a novel transverse-flux permanent magnet machine(TFPMM) is introduced．Then its no-load magnetic field is analyzed, including flux curve, the influence of different air gap/permanent magnet weight on magnetic field. Beside its cogging torque is also calculated．Finally, The experimental data is given and compared with the magnetic field computation results to prove the method above is available. KEY WORDS: transverse-flux; permanent-magnet machine; magnetic field computation 摘要：简要介绍了一种新型横向磁通电机，然后针对该电机进行了空载磁场分析，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、永磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了电机定位力矩。给出了样机实验数据，并与磁场计算结果进行了对比分析，比较结果说明以上方法是有效的。 关键词：横向磁通；永磁电机；磁场计算 0 引言 横向磁通永磁电机(Transverse-flux permanent magnet machine，TFPMM)是20世纪80年代末由德国的H.Weh教授提出的一种新型电机结构形式[1-2]。磁路结构的改变使其从理论上克服了传统电机齿槽位于同一截面，几何尺寸相互制约，电机转矩难以根本提高的缺陷，特别适合低速、大转矩、直接驱动等应用场合。德国于1988年率先研制了首台45kW横向磁通永磁电机样机，1999年又将TFPMM作为电动车发展优选部件之一；英国Rolls- Royce国际研发中心于1997年设计并制作了3.0MW采用C形定子铁心的TFPMM样机，目前正在研制16相20MW横向磁通永磁电机[3-5]；美国通用汽车Allsion传动部着手于研究复合软磁材料(SMC)成形定子的横向磁通电机和爪形齿横向磁通电机，并研制了30kW电动车用横向磁通电机[6-8]；国内对横向磁通电机的研究开展较晚，但目前已有不少样机研制成功[9-11]。此外TFPMM还被应用于磁悬浮[12-14]、风力发电、直线驱动[15]等领域。但是上述各种拓扑结构都存在工艺复杂，加工困难，基本上不适合中小功率低速直驱式场合应用。文献[16]提出了一种新型TFPMM拓扑形式，简化了电机结构，降低了对制造工艺的要求，使得TFPMM有可能应用于中小功率场合。本文在文献[16]基础上，利用有限元方法分析了该电机的空载磁场，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了定位力矩，最后对样机的实验数据进行了比较分析。 1 新型横向磁通永磁电机 TFPMM磁路呈三维分布，其拓扑结构变化较为丰富，按其永磁转子结构和磁路特点，可以分为平板式、聚磁式、磁阻式、无源转子式4类[17]。文献[16]正是在德国G．Henneberger教授设计的单边定子平板式TFPMM结构[18]基础上提出一种新型横向磁通电机拓扑结构(内定子、外转子)，其定转子结构如图1、2所示，主要结构特点如下： （1）永磁体轴向磁化，相邻磁体极性相反，各相磁体(2p个)沿转子内表面均布，m相磁体轴向分隔，周向对齐。 （2）U形磁轭以两倍极距均布(每相p个)，各相独立，三相定子轴向互错120o电角度被固定在非磁性定子支架上。 （3）电枢绕组由同心绕制在U形磁轭中的周向线圈组成。
永磁同步电机内永磁体退磁分析
龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/3a14000739.html, 永磁同步电机内永磁体退磁分析 作者：马博李博 来源：《科学与信息化》2018年第08期 摘要随着国内科技水平的逐渐提高，对于稀土永磁电机的应用也越来越广泛，相比于传统的电励磁电机相比结构更为简单，从整体上减少了应用过程中的加工和装配产生的费用，效率高控制性能也较强。研究与开发高性能的稀土永磁电机能够有效促进国内生产发展，而研究的重点和难点就在永磁磁场的波动与永磁体失磁的问题。 关键词永磁电机；退磁；原理 近年来国内经济科技的迅猛发展使得很多新兴机械应用于生产工作中，稀土永磁电机就是其中一例。稀土永磁电机的效率高、功率密度大，且具有良好的控制性能，相比于老式的电机结构更加简单明了，运行也十分稳定。随着应用和研究的不断深入，人们发现永磁体存在磁场波动和退磁的问题，直接影响了永磁电机的应用和运行。另外，随着永磁体退磁，磁体内部与电机内的电流和升温以及功角存在相互影响的现象，一旦发展没有得到遏制，就会直接影响电机内部使其发热和破坏转矩的性能，这种情况下，电机一旦应用不当或者是管理存在漏洞没能及时发现问题，电机就会直接报废。因而分析永磁体退磁对于永磁体电机的应用于发展具有重要的意义。 1 永磁体的性质概述 简单来说，永磁体实际上就是一种通过外部的磁场饱和或者进行充磁之后能够保持其磁性和磁力的一种磁性功能材料，这种材料具有一定的稳定性，后期对于外部的能量需求较少并且能够持续且较为稳定的提供磁场，因而也被称之为硬磁材料。这种材料的具体分支十分庞大，根据其制造方式与磁体内部组成成分之间的差异，可以分为铸造永磁体、烧结永磁体、可加工永磁体和黏结永磁体。其中烧结永磁体根据成分可分为铁氧体和金属磁体，可加工永磁体可分为锰铝碳永磁和铜镍铁永磁等五种类型。可以说是选择非常丰富的磁性材料了，应用方面相当广泛。对于永磁电机而言，组成磁极的永磁材料是至关重要的，这种材料的磁性能直接关系着永磁电机的各项素质。例如电机内部的磁路尺寸，电机的整体体积以及相关的功能指标都与电机内部的磁性材料密切相关，甚至影响的着电机的运行效果和运行特性。在非铁磁材料中，随着磁通密度与磁场强度之间的变化和饱和度的差异形成了一条具有其变化性质的曲线，一般称之为磁化曲线，根据曲线的发展变化会存在一个使得非磁性物质存在磁滞性，永磁材料的退磁曲线能够描述其应用特性[1]。 2 永磁电机内永磁体的退磁方式和原因 2.1 退磁方式及原因
基于矢量控制的电动汽车用异步电动机弱磁控制方法
基于矢量控制的电动汽车用异步电动机 弱磁控制方法 窦汝振,辛明华,杜智明 (中国汽车技术研究中心,天津300162) 摘要:对需要异步电动机恒功率运行的应用领域,特别是电动汽车这种需要大范围扩速运行的情形,弱磁控制是一个非常重要的方法。基于矢量控制提出一种恒交轴电压弱磁控制方法,该方法与电机参数无关,稳定性强,实现简单,试验结果验证了该方法的正确性和有效性。 关键词:矢量控制;弱磁控制;异步电动机 中图分类号:TM301.2B TM343文献标识码:A文章编号:1673-6540(2009)05-0025-03 F iel dW eakening Control of A synchronousM otors Based on V ector Control DOU Ru-zhen,X I N M i n g-hua,DU Zhi-m ing (Ch i n a A uto m otive Technology&Research C enter,T i a nji n300162,Ch i n a) Abstract:The field w eaken i ng contro l is i m portan t for the i nducti on mo tor.s constant pow er ope ration that i s re-qu ired by t he e l ec tric veh icle.Based on the detail ed theo retical analysis,usi ng t he vector contro,l a constant q-ax i s sta t o r vo ltage fi e l d weaken i ng controlm e t hod t hat is stab l e,i ndependent o fm otor para m ete rs is presented.Its vali d it y is prov ed by experi m ental resu lts. K ey word s:vector con tro;l field weaken i ng con tro;l asynchronou sm otors 0引言 异步电动机结实耐用,在矿山机械、航空航天、轨道交通、电动汽车等领域有着广泛应用。异步电动机运行时,其电压会受到供电电压的限制,而电流的增大也会受到电机及变频器的容量限制。因此,异步电动机运行在基速以上时需要采用适当的弱磁方法,在满足电机及逆变器的电压和电流限制条件下,得到尽可能大的电机转矩输出和功率输出及良好的系统动、静态特性[1]。此外,异步电动机弱磁运行时的参数变化较大,因此期望所采用的弱磁控制方法具有较强的参数鲁棒性。 国内、外已有的以矢量控制为基础的弱磁控制方法基本可分为以下三类[2-4]。 (1)1/X r弱磁。如式(1)所示,该方法是在电机转速高于额定转速后将转子磁链给定值设定为与转子转速成反比。 7rd=7rd n X n X r(1)式中:7r dn)))额定转子磁链; X n)))额定转速; X r)))电机转速。 (2)恒压弱磁。这类方法保持电机电压为额定电压,根据电压控制环的输出来控制电机的励磁电流,与电机参数无关,但转矩电流和励磁电流耦合强,电流调节器易于饱和。 (3)励磁电流的解析控制。电机的励磁电感存在磁饱和现象,电感参数会随着励磁电流的调整而发生变化。因此,在电机及励磁电感建模的基础上,采用精确的弱磁电流解析形式,提高电机的转矩输出能力和动态响应。但这类方法的有效性依赖于电机参数的准确性,励磁电流控制开环,鲁棒性较差。 本文对基于转子磁链定向控制的异步电机弱磁控制方法进行了分析,并提出了一种基于交轴电压控制的弱磁控制方法,该方法简便易行。 ) 25 )
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 计算额定数据：
(1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定 永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式 估算得到： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数， 初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的 选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发 来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要 是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂 散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动 机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本 例取=0.7mm δ。 确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具 体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。
一种永磁同步电机幅值失磁故障诊断方法
0引言 电机的失磁程度将时刻影响永磁电机的稳定运行[1-3]，因此实现对永磁电机磁链的观测及其重要。近年来，有很多学者研究永磁电机的磁链观测[4-9]。文献[7]提出一种基于最小阶扩展磁链滑模变结构观测器，该观测器能准确观测转矩和永磁体磁链信息。文献[8]提出了一种磁链非奇异终端滑模观测（NFTSMO ），在考虑电阻扰动的同时检测失磁故障。文献[9]提出了一种控制方法用于转子磁链失磁诊断和不对称的定子电阻的观测。 以上研究通过各种方法对永磁电机磁链进行观测，或未考虑参数变化，或考虑电阻变化。然而，在电机的运行过程中，电机参数的扰动是不可避免的，因此本文针对电感这一电机参数发生扰动的情况，设计了一种自适应滑模观测器，对永磁磁链幅值失磁进行实时观测。 1问题的描述 同步旋转d-q 坐标系下，永磁同步电机（PMSM ）的数学模型[10] 为 （1） 由于本次研究针对幅值失磁的情况，即永磁磁链的失磁方向始终发生在d 轴方向，q 轴方向没有失磁。 因此方程（1）在考虑电感扰动情况下，可化简 为 （2） 其中，ΔL 为电感的变化值。使 ，其中 ，整理可得 —————————————————————— —课题项目:湖南铁道职业技术学院校级课题：表贴式永磁同步电 机的失磁故障诊断（K201719）。 作者简介:张淼滢（1991-），女，硕士，研究方向为电力传动技术 及其故障诊断；肖凡（通讯作者）（1991-），男，硕士研究生，研究方向为电力传动技术及其故障诊断；邵瑞（1984-）：女，硕士，讲师，研究方向为现代控制理论及其在电力电子中的应用；邓昭俊（1987-），男，硕士，研究方向为电力系统及其自动化。 一种永磁同步电机幅值失磁故障诊断方法 张淼滢①;肖凡②;邵瑞①;邓昭俊① （①湖南铁道职业技术学院，株洲412001；②湖南工业大学，株洲412007） 摘要:针对永磁同步电机幅值失磁，提出了一种永磁同步电机幅值失磁故障诊断方法。该方法通过建立旋转坐标系下的永磁同步 电机数学模型，构建出一种自适应与滑模结合的观测器。针对电感扰动下的幅值失磁，给出了失磁磁链的自适应算法，并借助Lyapunov 稳定性理论证明其稳定性。最后，通过Matlab 仿真证明了所提方法的可行性和有效性。 关键词:永磁同步电机；幅值失磁故障；自适应滑模观测器 个故障特征来进行故障诊断的准确性则较高。信息融合方 式在信息处理方面有着较强的能力，使用信息融合方式处理信息，有利于提高诊断的准确性。柴油机的故障诊断工作是一项复杂的工作，并且在诊断工程中会出现多种不确定因素影响诊断，不确定因素对信息融合方式产生的影响微乎其微，信息融合方式是诊断柴油机故障的较好方式。 3柴油机故障诊断技术的发展前景3.1智能化柴油机故障诊断技术因为柴油机的结构较为复杂，所以很多原因都有可能导致柴油机发生故障。由于导致柴油机发生故障的原因较多，因此人们在进行柴油机故障诊断的时候，可能需要耗费很长时间[3]。为减少柴油机故障的诊断时间，提高柴油机故障的诊断效率，未来，柴油机故障诊断技术会向智能化方向发展，会出现更为智能的诊断方法，逻辑性会更强、诊断速度会更快。 3.2系统化柴油机故障诊断技术在现有的诊断柴油机故障技术中，用到了多种理论，这些理论都属于非线性动力系统理论。非线性动力系统理论为柴油机故障诊断技术提供了理论参考。当前理论在柴油机故障诊断技术的应用过程中还存在很多问题，最主要的 一个问题是缺少实践性，若想使柴油机故障诊断技术更具实践性，应当提高非线性动力理论的适用性，形成系统化的 诊断技术[4] 。由于当前的柴油机故障诊断方法还存在一些缺点，人们应当对柴油机故障诊断方法进行不断改进。 4结论 通过以上描述可以看出，许多工业在生产方面离不开柴油机的使用，如果柴油机出现故障，会对企业的生产效益造成一定的影响，提高柴油机故障诊断技术，有利于及时发现柴油机出现的故障，有利于及时处理柴油机故障问题，有利于减少柴油机故障问题的发生。 参考文献: [1]牟伟杰，石林锁，蔡艳平，郑勇，刘浩.基于振动时频图像全局和局部特征融合的柴油机故障诊断[J].振动与冲击，2018，37（10）：14-19，49. [2]王凯，奚博文，王玉宝，顾鼎锡，刘英杰.基于故障树理论的船舶柴油机故障诊断系统的开发与测试[J].数码设计，2017，6（04）：56-65. [3]金炳哲，陈冬梅，徐在强.基于数据库与专家系统的柴油机故障诊断软件开发[J].柴油机，2017，39（01）：42-45. [4]郑小倩，胡仕强，吴舰.基于概率神经网络的柴油机故障诊断与预测研究[J].工矿自动化，2013，39（09）：104-108.