摘 要

永磁同步电动机具有高效率、高功率密度、高转矩惯量比、强过载能力且转子结构多样等优点，使得此电机在市场上的运用越来越广泛。永磁同步电机如果发生故障，没有及时被检测到会使故障程度加剧，最后使电机停止运行从而导致整个设备处于瘫痪状态。所以研究同步电机发生故障时的各参数的变化情况，检测永磁同步电机的状态是很有必要的。

本文主要通过Maxwell软件建立模型，对永磁体设置不同程度失磁故障，每个故障分别进行仿真分析。分析电机运行时的主要性能参数随永磁体失磁程度增加的变化情况。再利用MATLAB软件以及Simulink软件对Maxwell软件仿真的数据进行相应的谐波分析并求出相应的THD值。通过实时检测永磁同步电机的状态参数变化，预测电机的失磁故障程度，降低失磁故障发生率，从而提高了电机的运行稳定性。

关键字：建模分析；永磁体失磁；谐波分析；THD值

ABSTRACT

Permanent magnet synchronous motors have the advantages of high efficiency, high power density, high torque inertia ratio, strong overload capacity, and diverse rotor structure, making this motor more widely used in the market. If a permanent magnet synchronous motor fails, failure to detect it in time will increase the severity of the fault and eventually stop the motor and cause the entire equipment to be in an awkward state. Therefore, it is necessary to study the change of each parameter when the synchronous motor fails, and to check the state of the permanent magnet synchronous motor.

In this paper, the finite element electromagnetic field analysis software Maxwell is used to establish the permanent magnet synchronous motor model, and the permanent magnet is set to simulate different levels of loss-of-excitation faults. The main parameters are analyzed as the degree of demagnetization of the permanent magnet increases. Then use MATLAB software and Simulink software to carry out corresponding harmonic analysis of Maxwell software simulation data and find the corresponding THD value. To detect changes in the relevant parameters of the permanent magnet synchronous motor, predict the degree of loss of magnetic loss in the motor, and reduce the occurrence of loss of magnetization, thereby improving the stability of the motor.

Key words: modeling analysis; permanent magnet demagnetization; harmonic analysis; THD value;

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 永磁同步电机国内外研究现状 1

1.3 永磁同步电机常见故障以及失磁故障 2

第二章 永磁同步电机的基本结构、原理及性能 4

2.1 永磁材料的主要性能参数 4

2.2 永磁电机的磁路结构 5

第三章 永磁同步电机失磁故障对其电磁场及其机理的影响 9

3.1 Maxwell软件概述 9

3.2 利用Maxwell软件建立模型 9

3.2.1 Maxwell 2D 创建项目及定义分析类型 9

3.2.2 Maxwell 2D 的材料管理 11

3.2.3 Maxwell 2D 的边界条件和激励源 12

3.2.4 Maxwell 2D 的网格剖分和求解设置 13

3.2.5 Maxwell 2D 的后处理操作流程 14

3.3 PMSM电机动态数学模型 15

3.3.1 PMSM的物理模型 15

3.3.2 定子电压方程 16

3.3.3 定子磁链方程 16

3.3.4 电动机转矩方程 17

3.3.5 dp坐标系PMSM动态数学模型推导 17

3.4 对永磁体单独产生的磁场进行分析 19

3.4.1故障设置 19

3.4.2 气隙通量密度分析 20

3.4.3 负载下的绕组电流影响 20

3.4.4 效率与扭矩角度影响 21

3.4.5 两齿中的齿槽转矩分析 22

3.5 稳态负载分析 22

3.5.1 电机磁密变化分析 22

3.5.2 电机转矩波动分析 23

3.5.3 电机电流变化分析 24

3.5.4 电机铁损变化的影响 25

3.5.5 电机铜损变化的影响 26

3.6 MATLAB软件概述 27

3.7 Maxwell与MATLAB联合仿真分析 27

3.7.1 生成所需数据 27

3.7.2 导出数据 28

3.7.3 将生成的数据导入MATLAB中 29

3.7.4 编写程序求谐波 30

3.7.5 定量分析谐波含量 30

3.8 利用MATLAB软件进行谐波分析 33

3.8.1 电机三相电流谐波分析 33

3.8.2 电机反电动势谐波分析 36

3.8.3 电机磁链谐波分析 38

第四章 总结 40

参考文献 41

致谢 44

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

随着机械设备大型化和环保化的发展，对电机的各个方面的性能要求逐渐提高，其运行状况和性能直接影响着整个传动系统的品质。具备高效率、高功率密度、高转矩惯量比、强过载能力且转子结构多样等诸多优点的电机成为市场和研究者所青睐的对象。随着永磁材料性能的不断改善以及电子产品的更新换代，加快了高性能、高转矩永磁同步电机的研发。

对于永磁同步电机而言其本身的特性包括电压的调节、无功功率的调节，无功负荷的分配。永磁同步电机的常见故障类型有电气和机械故障。然而永磁体的失磁故障是使研究者比较担心的，其中安装在转子上的永磁体产生了永磁电机内部主磁场，构成永磁体的永磁材料与电励磁电机相比存在失磁风险。转矩性能变差是电机出现失磁故障的主要表现，电机绕组线圈电流增加，进而温度升高。而电机温度的升高反过来又会加快永磁体失磁，这样恶性循环逐渐加剧故障。如果不及时处理会使得电机绕组烧毁，使电机损坏停止工作，对机动设备的安全和性能产生威胁。

所以，有必要进行永磁同步电机均匀失磁故障对电机性能影响研究。由于实际实验的限制，还处于通过软件进行仿真分析的阶段。所以，有必要加强此方向的相关研究。

1.2 永磁同步电机国内外研究现状

文献[1]中提到我国南车株洲时代电气股份有限公司于本世纪初即展开相关的研究工作，目前己完成了一系列的原型机试制、实验平台搭建和现场装车实验工作。

文献[2-4]中提到德国的西门子公司、法国的阿尔斯通、加拿大的庞巴迪、斯柯达公司等陆续开展永磁同步牵引系统的研发，在大功率的样机制造和样机线路试验考核方面均有一定进展。

文献[5-7]中提到西班牙学者 J. A.Ｒosero和美国学者 W．Le Ｒoux 采用基于信号变化分析方法对失磁故障进行分析。

文献[8]中提到基于连续小波变换和离散小波变换的方法检测和区分永磁同步电机的失磁故障，通过有限元仿真和实验结果验证，此方法可在线检测永磁同步永磁体的失磁故障。

文献[11] 中提出一种确定永磁同步电机退磁故障的新方法, 例如静止和非静止的转子速度，并且已经使用角度域顺序追踪（AD-OT）方法检测了PMSM中的退磁故障。所提出的方法已经成功地用于检测静止和非静止信号中的故障。

文献[15] 中提出一种基于状态观测器的失磁故障实时检测方法。设计了滑模变结构观测器，以实现永磁体的失磁故障检测。

文献[31]中提出了一种永磁同步电机的磁链自适应控制方法，并给出了基于哈密顿反馈耗散理论的磁链自适应预算方法。

综上所述，国外的理论研究相对丰富，仿真分析以及模拟实验有一定的进展，而国内的研究相对落后一些，在使用性方面仍有欠缺。永磁同步电机的失磁故障的研究逐渐兴起，故障产生的诱因多，状态特征不单一，因此仍然需要进一步研究简单全面，对外界干扰不敏感的诊断检测系统。

1.3 永磁同步电机常见故障以及失磁故障

电机不仅应用范围广，而且运行状态变化大，在运转中具有复杂的机械能到电能的转换过程，影响因素有电源端电压、逆变整流装置、负载工况、电流情况、运行环境，长期运转后，某些机械或电气部件会逐渐损坏、老化、出现故障，从而使得电机性能下降，进而电机的稳定运行。永磁同步电机故障主要包括: 永磁体故障、电气故障、机械故障，如图1.1所示。

电气故障主要涉及电机和驱动器之间的绕组匝间短路故障、开路故障、绕组相间短路故障和绕组对地故障等。

1）绕组匝间短路故障主要是由绝缘失效引起的线圈匝与匝之间、线圈与线圈之间、相与相之间和相与地之间的短路故障组成。电动机的频繁启动及换向，长时间的过载运行，电机绕组电流越过额定电流值，过电流产生的热量使绕组漆包线绝缘层性能变差而损坏，由此诱发了电机绕组间的短路故障。

2）断路故障是指一相断路，假如电机带轻负载仍可以运转，但绕组电流迅速增大、导致电机发热严重，长时间运行会烧坏电机绕组。重负载无法运行。励磁故障主要指转子上的永磁体由于各种原因致使的不可逆退磁故障，不仅导致的电机各方面的性能下降，甚至会使得电机停止运行。

机械故障的主要形式是轴承故障与偏心故障是电机机械故障。特征主要为：轴承过热故障，主要原因：润滑油中含有杂质和轴承与轴颈或端盖配合不合适。失磁故障是永磁电机特有的故障类型。永磁同步电机失磁故障主要为两种，全部失磁和部分失磁。

虽然相对于传统电励磁电机，永磁电机具有一些优点。但是永磁体失磁是电机稳定运转最大的影响因素。失磁现象主要是由电机电枢反应引起的，尤其是电机在需要较大力矩时。永磁同步电机正常运行时，电机定子绕组的电流将产生与永磁体本身励磁方向相反的磁场，这个磁场不停地作用，促使永磁体逐渐退磁。

电机正常运行时，稳定在退磁曲线的某一工作点上，如果定子绕组电流非常大，就会造成永磁体的永久退磁，退磁严重时电机可能报废。另外，永磁材料对温度变化非常敏感，工作温度超过一定值也会导致永磁体的永久退磁。因此，工作温度往往决定电机运行的性能。

另外，当永磁同步电机永磁体出现失磁故障时将会直接引起电机发热严重、过载能力下降，甚至会使电机运行性能变差。

图1.1 永磁同步电机故障分类框图

第二章 永磁同步电机的基本结构、原理及性能

2.1 永磁材料的主要性能参数

电机由机械能到电能的转换的介质是磁场，电机的转子永磁材料来建立永磁电机的内部磁场，取代了通电励磁绕组。优点是:

①没有励磁损耗。因为不需要通入励磁电流来建立励磁磁场，减少了这方面的无功功率输出，所以永磁电机的效率要比传统励磁电机性能有很大的提高。

②没有通电励磁绕组，取消了电刷与换向器。

③励磁模块结构简单，提高了电机运行时的各方面参数。

④转子的结构选择多样化，根据不同的实际需求设计出不同样式的转子结构。

目前世界上的永磁电机中所采用的磁钢大体上有三类:

（1）铝镍钻系磁钢;（2）铁氧体永磁材料，非金属类型;（3）稀土合金，如稀土钻，钱铁硼等。永磁材料种类很多，用途差别很大，主要参数有：退磁线、内禀退磁线、矫顽磁力、回复曲线、以及退磁拐点等。下面主要介绍以上各参数：

磁力线：一般情况是用磁滞回线来描绘磁性材料的磁化及其特性，用B=f（H）曲线来表明永磁体的磁感应强度B随外加磁强度H的函数关系，经过多次磁化后，其磁滞回线如图2-1所示。对于永磁材料，在第二象限的磁滞回线，可用来描述其特性，称为退磁线。为了便捷，常将H轴取为坐标轴的负方向，如图2-1所示。

剩磁密度、矫顽磁力、内禀矫顽磁力：如图2-2所示，当磁场强度降低到零时，磁感应强度并没有将为零，此时的B_r称为剩磁。当磁感应强度降为零时，磁场强度不为零，此时在退磁线上的H_r称为矫顽磁力，此时内禀退磁线上的H_cj称为内禀矫顽磁力。

最大磁能积：退磁线上B和H乘积的最大值称为永磁体的最大磁能积。

内禀退磁曲线：在上述条件下，永磁材料产生的磁场满足下式：

（1.1）

其中，

=H/m----真空磁导率；

M----磁化强度；

图2.1磁滞回线 图2.2永磁体的回复曲线

能够看出，在永磁体的材料中，B存在两个分量，其一，真空中一样的μH。其二，磁化产生的μH，其中μM称为内禀磁感应强度。

由，则。表达了内禀磁感应强度与磁场强度函数关系，则为内禀退磁曲线，如图2.2所示。

退磁曲线拐点：如下图所示2.3退磁曲线的上大部分是直线，而下小部分为曲线；而稀土永磁体的退磁曲线在常温下是一条直线，当工作温度上升到一定值时下小部会发生弯曲现象。在退磁曲线上可以看到曲线的弯曲点称为拐点K。永磁体工作点在K值以下，会发生永久退磁。

图2.3 高温下永磁材料退磁曲线 图2.4 恒转矩条件下的动态退磁框图

2.2 永磁电机的磁路结构

永磁电机磁路有多种分类方法：

1. 永磁体按置方式

包括表面式和内置式。其中，表面式磁极的永磁体和空气直接接触，因此加工和安装都很方便，但电机的电枢反应会直接作用在永磁体上；内置式磁极的永磁体不与空气直接接触安装在内部，因此加工和安装都很困难，但可以通过按置更多的永磁体从而提高电机的气隙磁密、减小电机占空比。内置式永磁体又可分为径向式、切向式和混合式三种方式。

永磁同步电机与其他电机具有不同转子的结构，其转子上安装永磁体，图2.6左是一个安装有永磁体的电机转子，永磁体磁极安装在电机的转子的铁芯圆周的表面，称为外凸式。磁极的极性与磁通走向如图2.5右。

图2.5 外凸式

另一种永磁体嵌装在转子铁芯的表面，因此称为嵌入式永磁转子。永磁体的极性与磁通方向见图2-6右。

图2.6 嵌入式永磁转子铁芯

切向式是永磁体磁极产生的磁通的方向与转子圆周的切线方向相同，这种结构的漏磁较多，并需采取一定的防止漏磁措施。

特点：一个磁极间距的磁通具有相邻的两个磁极产生，会产生较大的每极磁通，特别是电机磁极数较多、径向结构的每极磁通不足时，该结构的绝对优势就更加突出。

图2.7是四种主要的切向结构，其中a图是典型的4极切向式，永磁体内部主要采用非磁性套筒或转轴；b、c的转子结构则是气隙隔磁，这样就省去a中的套筒和转轴，其中转子冲片具有一定的整体性，当永磁体本身励磁不足时还可在隔磁槽中加放永磁体来增加励磁效果。

a b

c d

图2.7 内置式切向式结构

径向式结构：稀土永磁体的磁通方向和转子圆的半径方向相一致。

特点：漏磁较小，因此不需加装隔磁措施，转子冲片的使用机械强度较高等。图2-8中1是鼠笼条，2是转轴，3是永磁体，4是非磁性材料，5是转子铁芯，a、b均为切向式结构。

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