设计题目永磁电机退磁故障检测研究

DetectionofDemagnetizationFaultsinPermanent-MagnetSynchronousMotorsNumber: Author:Zhang Supervisor:HuangPermanentmagneticmaterialscanbuildamagneticfieldaroundwithoutexternalenergyaftermagnetized.Theapplicationofpermanentmagneticmaterialsinthemotorimprovesthereliabilityofthemotorsincethereisnocollectorringandbrush.Besides,permanent-magnetsynchronousmotors(PMSM)canobtainhigherpowerfactorbecauseofwithoutexcitingcurrentandexcitationloss.Inaddition,PMSMshavehighefficiencybecausethereductionoftheconsumptionofstatorcurrentandstator .PMSMissimpleinstructureandhashighpowerdensity,soithasbeenusedmoreandmorewidely.Rareearthpermanentmagneticmaterials,especiallymaterialsmadeofneodymiumironboron,have ethemostwidelyusedpermanentmagnetmaterialsbecauseofitsexcellentmagneticpropertyandhighratioofperformancetoprice.Althoughithasgoodperformance,italsohas ings,suchasthebadtemperaturecharacteristics,includingthelowCurietemperatureandthehightemperaturecoefficient.Therefore,permanentmotorsmayhavedemagnetizationfaultswhenusingpermanentmagnetmotors.Thiswillmaketheperformanceofmotorsbadorevencompleossofdrivingability,sothiswillaffectthesafetyandreliabilityofmotors.ThismakesthestudyofdemagnetizationfaultsinPMSMshavegradually eatopic.Thispaperyzesthedetectionofdemagnetizationfaultsinpermanentmagnetmotors.Firstly,demagnetizationmechanismofrareearthpermanentmagneticmaterialsisyzedfromthepropertiesofpermanentmagneticmaterials.Besides,theinfluenceofdemagnetizationfaultsinthecurrentandvoltageisyzed.Finally,thedetectionofdemagnetizationfaultsinpermanentmagnetmotorsisyzed.Tostudytheeffectsofthestatorwindingsconfigurationanddifferentdegreeofdemagnetizationintheback-emf,currentandzero-sequencevoltageharmonicsinPMSMswithdemagnetizationfaults,thefiniteelementsmethod(FEM)modelsoftheyzedPMSMsareestablishedinJMAG.Fromtheresults,thedetectionmethodofdemagnetizationfaultsinPMSMsisyzed.:Permanentmagnetsynchronousmotors,demagnetization,finiteelementsysis, 第一章绪 第二章永磁体退磁的基本原 永磁体性 本章小 第三章永磁体退磁故障检测的理论分 本章小 第四章永磁电机的有限元分析模 JMAG软件介 建模流 本章小 第五章永磁电机退磁后的仿真结果及分 概 本章小 第六章全文总 致 参考文 2060年代出现的稀土永磁材料由于其优异的磁性能和良好的性能价格比，在许多磁材料，具有较高的最大磁能积（BH）maxBr和矫顽力Hc，因而性能较优。但烧结NdFeB永磁材料也有其不足之处，就是温度特性差，具体体现在居里温度较低、温度系数高温下使用时，磁损失较大。一般NdFeB永磁材料在高温下使用时，其退磁曲线的下半部永磁材料发展历，稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段：20世纪60年代国K.J.Strant教授首次研究出的钐钴永磁SmCO5为第一代稀土永磁材料，其具有优良的磁性能，磁能积比铁氧62070Sm2CO17，2:17262.68kJ/m3；2080导致稀土钴的价格昂贵，从而限制了此类材料大范围的推广和应用，在此形势下住友1983年成功研制出钕铁硼（NdFeB)永磁材料，即为第三代稀土永磁材料，其磁能积高达290.54kJ/m3。由于钕铁硼永磁材料价格低廉，磁性能又高于其它永磁材料，，永磁针对永磁电机退磁的机理和原因，西安交通大学电气学院和西安高压电器对永JMAG软件对永磁体退磁原因进行了有限元分体发生退磁现象[4]。大学的何山、庆等人运用电磁场有限元软件Ansys，计算了永永磁电机退磁的防范方法，主要是从电机设计的角度考虑的，要选择合适的永磁体形ovsodebeLuizLbensan等人分析短路情下有无尼绕组永磁体磁生的影响阻尼绕可以在退磁6K-hanmwanSooKm等VV不易产退磁改变磁体结有于降低退风险7沈阳工业学的林（和转子向结构以有效降低退风险8华技大的赖耀对磁体外可以提电机的去磁能[9沈阳学院刘琨研了部分退磁的永磁步电并采用限元(EM)拟了4种磁的形模型研了永磁体外形设计对局部退磁的影响[0]。沈阳工业大学王凤翔教授提出可以从降低损耗和改善散1。随着新的计算机技术和故障技术的不断应用电机退磁的故障技术也得到了一WiehanleRoux等人研究表明，永磁同步电机发生退磁故障后，会使电机中的气隙磁通发生畸变，进而在定子电流中感应出相应的谐波频率成分fem=fekfe/p（fem是需要监测的特征故障检测[13]。然而，该方法也有其弊端。RuschettiCristian等人研究了两种不同定子绕组的[14]J.A.Rosero等（DWT。量时难以直接得到转矩常数，故可以通过转矩常数的估计值的变化来检测航空航天。基于零序电压的检测。基于上面的文献基于电流检测的弊端，有关文献提出故障，文中提出可用零序电压来进行故障[19]，但未进行进一步具体描述。Hong等人提出可以通过零序电压分量来检测退磁[20]，这样可以克服文献[15]中弊端。西班牙的Julio-CésarUrresty等人专门研究了利用零序电压分量来检测表贴式永磁同步电机中的退磁磁的故障[16]。随后，他们还研究了永磁同步电机发生退磁故障时不同的定子绕组基于磁场磁通的检测方法。德克萨斯大学的AmirKhoobroo等人提出，可以利它是一种重要的磁性功能材料，也称为硬磁材料。通常永磁材料的矫顽力在8kA/m以上。BHμ0B=μ0H，BHB=f（H）2-1（a）所示。H降磁化曲线不会重合，可以得到一个闭合回线，称为磁滞回线，如图2-1（b）所示。当外施磁场减小到0（H=0）时，所剩余的磁通密度称为剩余磁感应强度Br，单位为T。要使剩BrHcA/m。BrHc是磁性材料的重要参数。HBa)非铁磁材料的磁化曲线 b)铁磁材料的磁滞回线图2-1磁通密度B与磁场强度H的关系曲线B=−μ0H+ （2—其中，μ04π10−7H/m为真空的磁导率，M为单位体积内磁矩的矢量和，称为磁化B=f（H）为退磁曲线。2-2钕铁硼永磁材料在不同温度下的退磁曲钕铁硼(NdFeB)永磁材料，具有较高的最大磁能积（BH）maxBrHc，点)。NdFeB2-3所示。2-3NdFeB在不同温度下的退磁曲线与内禀退磁曲钕铁硼永磁材料的回复2-4中的退磁曲线下降，K点为拐点；当退磁磁场PR就不再与退磁曲线重合了。这样的话，当退磁磁场强度后，永磁体的剩余磁感应强度Br将下降，这种现象称为不2-4NdFeB永磁材料的回复矩的整齐排列此时磁畴会被平均磁矩变为零铁磁物质的磁性变为顺磁物质，通过以上分析，电机内永磁体退磁的主要原因有两点：其一是电机运行时温度过高；的退磁程度Kdem：∑2pKdem=

（3-edem＝Kdem∗ （3-其中，edem为发生退磁故障后单相的反电动势，Kdem为上文定义的退磁程度，ea为正fdem=fe(1

k)k=1,2,3 （3-p其中，fdem是需要监测的定子电流中的特征谐波频率，fe是定子电流的基波频率，p是电机的极对数，k是一个正整数。由式（3-3）可知，退磁故障会使得电流频谱中产生特征测出退磁故障是很的。3-1所示，电阻网络为星形连接。0V=−0

(3-其中，λPM,0是零序磁通分量，则发生部分退磁的永磁电机的零序电压分量可用下式来V0=

(3-其中，Km的值为上文定义的退磁程度。由此可知，当电机发生退磁故障时，零序电可以通过监测序电压量的值检测退故并且零序电减小的度可以来作个问题故以通过监测序电压量来检测磁电机转子永体退磁故障。JMAGJMAG是由株式会社总研（JRI）开发的的电磁场，可以实现静态场、瞬 等第软件进行系统耦合仿真。由于JMAG软件中可以很方便地实现电磁场分析，而且本文分析了三种不同定子绕组结构的三相表贴式永磁同步电机，定转子材料为50JN1300，转子铁心内径为16mm，转子铁心外径为50mm，定子铁心内径为56mm，定子铁心外径为112mm，气隙长0.5mm，定子叠厚为60mm永磁体牌JSOLNdFeBBr=2.0T1500kA/m。p=2Z=30q=2.5f=60HzCAD导入，也可以通过手动建立模型运行计算，处理结果。可以通过Results选项选择需要观察的仿真结果，包括不本文采用JMAG软件中的二维瞬态场分析模块，利用电机磁场分布的对称性和周期极对数p=2Z=24q=24-1所示，经过网格4-2所示。图4-1：q=2的永磁电机有限元模 图4-2：网格剖分后q=2的永磁电机有限元模p=2Z=30q=2.54-3所示，经过网4-4所示。 图4-3：q=2.5的永磁电机有限元模 图4-4：网格剖分后q=2.5的永磁电机有限元模p=4Z=30q=5/44-5所示，经过网4-6所示。图4-5：q=5/4的永磁电机有限元模 图4-6：网格剖分后q=5/4的永磁电机有限元模（b4-7350.814Ω，R1、R2R3100Ω，R4、R5R628kΩ，V0是为了测量零序电压分量。本章首先绍了电场有限元A的功特点和分流程再次根据分析q=2、=2.5和=54AAp=2Z=24q=2，a反电30幅值退磁001234567891011121314---10%退磁前后a相反电动势的频001234567891011121314--单块永磁体发生30%退磁前后a相反电动势的频001234567891011121314---0012001234567891011121314---单块永磁体发生70%退磁前后a相反电动势的频001234567891011121314---单块永磁体完全退磁前后a5-1单块永磁体发生不同程度的退磁故障前后，a相反电动势的频（a（b（c（d（e70%100%5-1可知，这种结构的永磁电机单块永磁a001234567891011121314--相邻两块永磁体均发生50%退磁前后a001234567891011121314---相对两块永磁体均发生50%退磁前后a001234567891011121314---三块永磁体均发生50%退磁前后a50%退00123456750%退001234567891011121314---2（a（b（c（d）a相定子0001234567891011121314--- -- -10%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314------单块永磁体发生30%退磁前后a相定子电流的频00 91011121314-- -- --50%退磁前后a相定子电流的频00 91011121314------单块永磁体发生70%退磁前后a相定子电流的频00 91011121314-----单块永磁体完全退磁前后a相定子电流的频5-3单块永磁体发生不同程度的退磁故障前后，a相定子电流的频（a（b（c（d（e70%100%5-3可知，这种结构的永磁电机单块永磁体发生退磁后，定子电流的基波、5次、7次、1113次谐波的幅值减小，且退磁程度001001234567891011121314-------相邻两块永磁体均发生50%退磁前后a0001234567891011121314-------相对两块永磁体均发生50%退磁前后a0001234567891011121314-----三块永磁体均发生50%退磁前后a0001234567891011121314----生50%退--四块永磁体均发生50%退磁前后a相定子电流的频谱5-4多块永磁体发生退磁故障前后，a相定子电流的频谱4（a（b（c（d）体发生退磁后，基波、5次、7次、1113次谐波的幅值会减小，其中，相邻两块永磁0-10------12345678910111213140-10-单块发1234567891011121314----0-10-----12345678910111213140-10-1234567891011121314---0-10------单块全1234567891011121314（a（b（c（d（e70%100%5-5可知，这种结构的永磁电机单块永磁体发0-10------12345678910111213140-10------12345678910111213140-10-----退磁12345678910111213140-10-----12345678910111213145-6多块永磁体发生退磁故障前后，零序电压的频谱6（a（b（c（d）f=60Hz1800r/min的电机模型，分别分析了电机发生单块永磁体退磁和多块永001234567891011121314--001234567891011121314---001234567891011121314-001234567891011121314--001234567891011121314--（a（b（c（d（e70%100%5-7可知，这种结构的永磁电机单块永磁体发生退磁后，基波、3次、5次、791214次谐波，48次谐波。相邻两块均001234567891011121314---001234567891011121314---退磁三块退磁三块均发001234567891011121314---退磁001234567891011121314---四块永磁体均发生50%退磁前后反电动势的频谱5-88（a（b（c（d）1214001234001234567891011121314----10%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314------单块永磁体发生30%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314------50%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314-------单块永磁体发生70%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314------单块永磁体发生完全退磁前后a5-9单块永磁体发生不同程度的退磁故障前后，a相定子电流的频（a（b（c（d（e70%100%a5-9可知，这种结构的永磁电机单块永磁4次、814次谐波，退磁程度越严001001234567891011121314--退磁-----相邻两块永磁体均发生50%退磁前后a0001234567891011121314----生50%退--相对两块永磁体均发生50%退磁前后a0001234567891011121314------三块永磁体均发生50%退磁前后a0001234567891011121314------四块永磁体均发生50%退磁前后a相定子电流的频谱5-10多块永磁体发生退磁故障前后，a相定子电流的频谱10（a（b（c（d）4次、814001234567891011121314-----001234567891011121314-----0-01234567891011121314----001234567891011121314------001001234567891011121314-----1（a（b（c（d（e001234567891011121314----001234567891011121314-----0-10------生50%退12345678910111213140-101234567891011121314----四块永磁体均发生50%退磁前后零序电压的频谱5-12多块永磁体发生退磁故障前后，零序电压的频谱12（a（b（c（d）磁后，12次谐波的幅值减小，未出现新的谐波；相对两块发生退磁后，12次谐波的幅值增6次谐波；三块发生退磁后，12次谐波的幅值增大。p=4Z=30q=5/4，f=60Hz900r/min单块发生00123456789101112131415---退磁0 91011121314----001234567891011121314----001234567891011121314----0 0 91011121314----1（a（b（c（d（e次、6次、6.5次、8.5次谐波，退磁程度越严重，出现的分数次谐波越明显。生10%00 5 91011121314---生30%退001234567891011121314----001234567891011121314----001234567891011121314---完全退0 91011121314---1（a（b（c（d（e50%、70%100%5-14可知，这种结构的永磁电机单块永磁体局部发生退磁后，基波、3次、5次、792.54.5次、6次、6.5次、8.5001234567891011121314----001234567891011121314-----（b）13两块永磁体均发生50%001234567891011121314----（c）14两块永磁体均发生50%生50%001234567891011121314----相邻两对极（001234567891011121314----001234567891011121314-相对两对极（块）均发生---0 91011121314----001234567891011121314-磁---5-15多块永磁体发生退磁故障前后，反电动势的频15（a（b（c（d（e（f（g（h）5-15反电动势基波、3次、5次、79次谐波的幅值均会减小，且发生退磁的永磁体越多，0.5次、2.5次、4.5次、62.5次、4.5次、6.58.5次谐波；相邻两8.5次谐波；四对极发发生退磁后，频谱中没有新出现的谐波分量。a相定子电流的频谱：000123456789101112131415--------10%退磁前后a相定子电流的频000123456789101112131415--------单块永磁体发生30%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314-------0012345001234567891011121314--退磁-----单块永磁体发生70%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314-------单块永磁体发生完全退磁前后a5-16单块永磁体发生不同程度的退磁故障前后，a相定子电流的频1（a（b（c（d（e70%100%整体均匀的退磁故障前后a5-16可知，这种结构的永0001234567891011121314--------10%退磁前后a0001234567891011121314-------单块永磁体局部发生30%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314-------001234001234567891011121314--- -----单块永磁体局部发生70%退磁前后a相定子电流的频00 91011121314---- --单块局--单块永磁体局部发生完全退磁前后a5-17单块永磁体发生不同程度的局部退磁故障前后，a相定子电流的频1（a（b（c（d（e50%、70%100%a5-17可知，这种结构的永磁电机单块永磁体局部发生退磁后，基波、572.5次、6.5a0001234567891011121314--- -- -00123456001234567891011121314-------（b）13两块永磁体均发生50%退磁前后a0001234567891011121314-------（c）14两块永磁体均发生50%退磁前后a0001234567891011121314------（d）相对两块永磁体均发生50%退磁前后a0001234567891011121314------相邻两对极（--（e）相邻两对极（四块）50%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314--- ---生50%--（f）相对两对极（四块）永磁体均发生50%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314-----三对极均---（g）三对极（六块）永磁体均发生50%退磁前后a相定子电流的频0001234567891011121314--------（h）四对极均发生50%退磁前后a5-18多块永磁体发生退磁故障前后，a18（a（b（c（d（e（f（g（h）a5-18可知，这种结构的永磁电机多块永磁体发生退次谐波；136.58.5次谐波；140.5次、2.5次、6.58.5次谐波；相邻两对极的永磁体发生退磁后，频谱中会出现6.58.50.5次、2.5次、6.58.50.5次、2.5次、6.58.5次谐波；四对极发生退磁后，频谱中没有新出现的谐波分量。0 91011121314-----001234567891011121314-- ----0 0 91011121314------0 91011121314- -- --0-10------1 910111213141（a（b（c（d（e1.5001234567891011121314----001234567891011121314------001234567891011121314------001234567891011121314-- ---001234567891011121314-------2（a（b（c（d（e磁体局部发生退磁后，391.5次、4.5次、613.5001234567891011121314---发生50%退---001234567891011121314-----0012345001234567891011121314----发生50%退---（c）14两块永磁体均发生50%0-10-----1234567891011121314发生50%磁001234567891011121314------0012001234567891011121314- 退磁----0-10-1234567891011121314-----001234567891011121314-----5-21多块永磁体发生退磁故障前后，零序电压的频21（a（b（c（d（e（f（g（h）4.56次谐波；134.5次、10.513.51.5次、4.5次、6次、10.513.51.54.5次、6次、10.513.5在JMAG软件的平台上建立了不同定子绕组的永磁电机有限元模型，模拟了永磁，纳了我。在这次毕业设计期间和周涛两位师兄在我查找和阅读相关文献、学习使用，，部的关爱都倾注于我。在大学四年中父母一直督促着学业，在生活中始终关心和算出色的成绩单来抚慰他们那为劳的心！，－China中国用户集ClovisGoldmeberg,LuizLebensztajn,OrlandoSilvioLobosco. ysisofshort-circuittransientsofaPMmachine[C].IEEE,1997,0-7803-3946-0/97. ysisofmagnetsaccordingtorotortypesofinteriorpermanentmagnetsynchronousmotor[J]．IEEETransactionsonMagnetics,Vol.45No.6,2009.XingJunqiang，WangFengxiang，WangTianyu，etal，Studyonanti—demagnetizationofmagnetforhighspeedpermanentmagnetmachine[J]．IEEETransactiononIndustryJ.A.Rosero,J.Cusido,A.Garcia,etal.StudyonthePermanentMagnetFaultinPermanentMagnetSynchronousMachines[C].IE