轮缘推进电机失磁故障特征量分析.pdf

船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 106 轮缘推进电机失磁故障特征量分析轮缘推进电机失磁故障特征量分析 匡 恒1，于留洋1，王雅楠1（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）摘 要：针对轮缘推进电机转子永磁体受到高温或者机械振动等因素影响时将发生不可逆失磁故障，本文以一台 80 kW 的轮缘推进电机模拟了电机每块永磁体均匀失磁的故障，建立了电机的二维瞬态电磁场有限元模型，根据电机在健康状态和不同失磁故障下的运行工况，揭示了电机失磁前后运行时内部的磁场变化，计算了电机在健康状态和失磁下的运行参数，通过分析对比数据得到了不同程度失磁故障的特征量变化规律。关键词：轮缘推进电机 失磁故障 电磁特性 中图分类号：U665.11 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0106-04 Analysis of characteristic quantity of flux loss fault of flange propulsion motor Kuang Heng1,Yu Liuyang1,Wang Yanan1(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064)Abstract:Aiming at the irreversible demagnetization of rotor permanent magnet of rim-driven propulsion motor when it is affected by high temperature or mechanical vibration and other factors,this paper uses an 80kW rim-driven propulsion motor to simulate the uniform demagnetization of each permanent magnet of the motor,and establishes a two-dimensional transient electromagnetic field finite element model of the motor.According to the operation conditions of the motor under the condition of health and different demagnetization faults,the internal magnetic field changes of the motor before and after demagnetization are revealed.The operating parameters of the motor in the health state and under demagnetization are calculated.The characteristic variation rules of the fault with different degrees of demagnetization are obtained by analyzing the comparative data.Keywords:rim-driven propulsion motor;demagnetization fault;electromagnetic characteristics 0 引引言言 轮缘推进器将螺旋桨的桨叶安置到了电机的转子内侧，减小了传动装置，机械结构大幅度简化。轮缘推进电机的特殊工作环境使得对电机的需求较高，需要将电机做成扁平形式，这样有利于安装桨叶和满足实际的运行工况，其中永磁同步电机的结构较为简单、功率密度高，适用于轮缘推进器1。永磁电机在高温或者机械振动较大时运行会 收稿日期：2022-11-26 作者简介：匡恒，男，助理工程师。从事永磁电机设计相关专业。E-mail: 使得永磁体发生不可逆失磁，该故障会严重影响到船舶的安全行驶。当永磁电机发生失磁故障时，电机内部的磁通会减小，导致电机运行时的空载反电势降低，为维持恒定的负载此时将增大负载电流，电机的热负荷会以平方倍的趋势增加，导致电机发热更为严重，永磁体的失磁故障也会越来越严重，船舶的安全行驶状态无法得到保障，所以研究轮缘推进电机的失磁故障有重要意义2,3。依据永磁电机失磁故障的结果可分为均匀失磁和局部失磁两种状态，其中轮缘推进电机特殊的工作环境导致其发生均匀失磁故障的概率较大，因此本文以轮缘推进电机的失磁故障为研究Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 107 对象，采用时步有限元法对电机的性能进行定量分析4,5。通过计算电机在健康状态下和不同程度的失磁故障时的数据，得到了相应的气隙磁密、空载反电势和电枢电流等与电机健康状态有直接联系的参数，分析相关数据得到可靠的规律变化，为后续的故障检测提供相关的理论支撑。1 轮缘推进电机二维电磁场模型轮缘推进电机二维电磁场模型 为了模拟轮缘推进电机在不同程度失磁故障下运行的状态，本文以一台 80 kW 的轮缘推进电机为例分析本文。该轮缘推进电机的结构采用内转子表贴式驱动，其主要参数如表 1 所示。表 1 轮缘推进电机主要参数 参数 数值 参数 数值 额定电压/V 330 转速/rpm 1900 额定频率/Hz 253.33 定子内径/mm 355 铁芯长度/mm 90 定子外径/mm 493 永磁体厚/mm 6 转子内径/mm 310 极数 16 转子外径/mm 345 定子槽数 96 绕组节距 5 当轮缘推进电机的永磁体发生失磁故障时，电机内部的磁场将发生巨大的变化。根据电机的基本参数及结构，建立了如图 1 所示的轮缘推进电机二维电磁场模型。转子铁心转子铁心定子铁心定子铁心定子绕组定子绕组转子铁转子铁芯内圆边界芯内圆边界1L定子铁定子铁芯外圆边界芯外圆边界2L永磁体永磁体 图 1 轮缘推进电机二维电磁场模型 2 轮缘推进电机永磁体失磁故障磁场分轮缘推进电机永磁体失磁故障磁场分析析 2.1 轮缘推进电机失磁故障方案 当轮缘推进电机的永磁体发生失磁故障后，永磁体的性能参数会发生变化，其中的磁感应强度 B 可以反映出此时永磁体的性能改变，当永磁材料发生失磁 30%时，相应永磁体的磁感应强度会变成 0.7B，并且有如下公式：0crBHB (1)式中：0为真空磁导率，410-7H/m，Hc 和 Br均为永磁材料的固有属性，分别为内禀矫顽力和剩余磁感应强度。本台电机的永磁材料采用高性能的钕铁硼42UH，通过查找相关的退磁曲线可知它的变化规律是线性的，因此本文将通过不断改变永磁体材料的固有属性来模拟永磁体的实际失磁状态6。本文模拟的轮缘推进电机失磁故障是每块永磁体都均匀失磁，通过计算永磁体不同程度的均匀失磁来分析得到电机内部相应的性能规律变化。为了下文的分析方便，表 2 给出了三种不同程度的均匀失磁方案并依次进行编号，其中电机无任何故障定义为电机健康运行。表 2 永磁体失磁方案描述 故障编号 退磁方案 故障 I 每块永磁体均匀失磁 30%故障 II 每块永磁体均匀失磁 50%故障 III 每块永磁体均匀失磁 70%2.2 轮缘推进电机不同失磁故障下空载气隙磁密 当轮缘推进电机的永磁体发生失磁故障后，电机内部磁场将发生畸变，空载气隙磁密是直接反映电机内部磁场变化的一个重要参数，本文通过有限元仿真计算出了电机在健康状态和不同失磁故障时的气隙磁密如图 2 所示。060120180240300360-0.6-0.30.00.30.6气隙磁密/T电角度/deg 健康状态 失磁I 失磁II 失磁III 图 2 轮缘推进电机气隙磁密波形 由图 2 可知电机气隙磁密的幅值随着失磁故障的增加而逐渐减小，但是很难发现其中的谐波变化规律，因此将该气隙磁密的数据经过后处理得到气隙磁密的频谱，通过频谱图可以直接发现发生失磁故障后的基波和谐波的变化规律，如图3 所示。由图 3 可知，电机发生均匀失磁故障时电机没有新的谐波次数增加，只有基波和谐波相应的减小。这是由于当永磁体均匀失磁时电机内部的磁场也是均匀变化的，所以新的谐波阶次并未有明显的增加，通过该频谱图可以确定气隙磁密的基波和主要谐波次数，为了进一步分析电机内部船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 108 的气隙磁密的变化规律，通过傅里叶分解对电机的气隙磁密进行处理得到磁密的幅值。10100100010000-50-40-30-20-100气隙磁密频谱幅值/dB频率/Hz 正常 失磁I 失磁II 失磁III 图 3 健康状态和失磁故障 I-III 时的气隙磁密频谱图 135790.00.10.20.30.40.50.6幅值谐波次数 135790.00.10.20.30.4幅值谐波次数（a）健康状态 （b）失磁 I 135790.00.10.20.3幅值谐波次数 135790.000.050.100.15幅值谐波次数（c）失磁 II （d）失磁 III 图 4 健康状态和失磁故障 I-III 时的气隙磁密谐波含量图 由图 4 可知，电机发生失磁故障 I-III 时气隙磁密的基波幅值分别下降了 29.7%，49.8%，69.9%，和电机永磁体的失磁百分比基本一致，通过公式计算可得电机在健康状态和失磁 I-III时的磁密畸变率均为 7.9%，故当电机发生永磁体全部均匀失磁故障时，电机的气隙磁密会整体减少相应的失磁百分比，谐波的畸变率也并未增加，可以将气隙磁密的幅值变化作为评判电机失磁程度的一个标准。2.3 轮缘推进电机不同失磁故障下工作特性计算 以现有的技术无法对电机内部的磁场变化过程进行精确监测，所以只能通过分析可直接监测到的电机数据进行规律的探寻。根据电机学的基础知识可知电流的大小直接影响了电机的负载情况，下文将通过对不同失磁状态的轮缘推进电机在负载下运行时的电流进行计算得出相应的规律。为了更方便获得电枢电流的结果，将电机的结构计算模型简化成如下电路，如图 5 所示：aRTsXIU0E 图 5 轮缘推进电机等效电路图 图中：I为负载时电枢电流有效值；U为变频器输送给电机的电压有效值；0E为电机空转时反电动势的有效值；Ra 为电机电枢绕组上的电阻，Xs 为电枢绕组的同步电抗。据此推出电机在负载时的电枢电流为：0jasUEIRX (2)为求解电流首先需要计算出电机的空载反电势，公式为：04.44mdpEfN K (3)式中：N 为每相串联匝数；m为空载时永磁体的每极磁通；Kdp为绕组因数。其中 m可表示为：2mlBl (4)式中：Bl为电机空载时气隙磁密基波幅值，l 为电枢的计算长度，为极距。根据式（3）和（4）可以发现随着电机的失磁程度增加，电机内部的磁通量减小，使得空载反电势下降，根据解析法和有限元计算分别计算出电机的空载反电势如表 3 所示：表 3 空载反电势幅值 项目 解析法 有限元法 健康状态空载反电势幅值（V）238.2 244 失磁 I 空载反电势（V）170.5 172 失磁 II 空载反电势（V）121.1 123 失磁 III 空载反电势（V）71.6 74 由表 3 可知有限元计算所得结果与解析解基本一致，计算出的不同程度失磁和健康状态电机的空载反电势的幅值进行比对，发现失磁后的电压幅值下降率与失磁率是一样的，与气隙磁密的下降率也相同，说明了空载反电势是可以直接衡量气隙磁密变化的一个可直接检测量。当电机发生失磁故障后仍保持电机的额定工况运行，此时电机的电枢电流幅值将大大增加，Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 109 这是由于当电机发生失磁故障后电机的反电势下降导致电磁转矩减小，为了维持电机的额定转矩运行只能通过不断增加电枢电流来维持负载，图6 为同一负载下电机健康状态和不同程度失磁下的电枢电流。可以发现随着电机失磁故障不断严重，电枢电流的幅值增加量不再是之前的线性规律增加了，失磁越严重电流的增加量会非常大，此时电流也会引入新的谐波，电机的温升也会不断升高导致失磁更加严重，电机的安全稳定运行不能保证，同时电流的增大会受到变频器的过电流保护，使得电机停止运行。142144146148150-3000-2000-10000100020003000电枢电流/A时间/ms 健康状态 失磁I 失磁II 失磁III 图 6 轮缘推进电机等效电路图 3 小结小结 本文利用时步有限元法计算出了电机的电磁参数，对比了不同失磁故障与电机健康状态时的数据，得到如下结论：1）当轮缘推进电机的每块永磁体发生均匀失磁时，电机的气隙磁密和空载反电势会减小，减小的量和永磁体的失磁百分比一致，可以通过检测电机的空载反电势来判断电机的失磁故障的程度。2）当电机发生均匀失磁故障时，若保持电机的恒定负载运行，电枢电流将会大幅增加，同时谐波含量也会不断增加，但是在电机失磁故障不严重时电机仍可以正常运行。参考文献参考文献:1 常文,魏海峰,张懿,等.水下航行器多电机推进系统关键技术研究J.水下无人系统学报,2021,29(06):716-724.2 曾新红.船用电机故障分析研究J.船电技术,2012,32(06):54-56.3 黄浩,柴建云,姜忠良,等.钕铁硼稀土永磁材料交流失磁J.清华大学学报(自然科学版),2004(06):721-724.4 肖曦,张猛,李永东.永磁同步电机永磁体状况在线监测J.中国电机工程学报,2007(24):43-47.5 张志艳,马宏忠,杨存祥,等.小波包与样本熵相融合的 PMSM 失磁故障诊断J.电机与控制学报,2015,19(02):26-32.6 唐任远.现代永磁电机理论与设计M.北京:机械工业出版社,2016.