孔 漢，劉景林

(1.西北工業(yè)大學(xué)，西安710072;2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州450002)

0 引 言

永磁伺服電機(jī)具有損耗少、效率高、體積小、重量輕、調(diào)速性能好和位置精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，使其作為高效節(jié)能產(chǎn)品在航空航天、國(guó)防、鋼鐵、油田、紡織、化工行業(yè)得到較為廣泛的應(yīng)用。然而電機(jī)作為電力系統(tǒng)中的耗能大戶，其安全可靠的運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要的意義，此外電機(jī)的安全可靠運(yùn)行也直接關(guān)系到生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全［1］。

縱然在金融危機(jī)環(huán)境下，永磁伺服電機(jī)市場(chǎng)在國(guó)內(nèi)仍然呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢(shì)頭，工業(yè)領(lǐng)域永磁電機(jī)的服役數(shù)量逐年增加。然而，這些電機(jī)在使用過程中，隨著服役年限的增大，永磁體有可能出現(xiàn)不同程度的勵(lì)磁性能降低，對(duì)電機(jī)的使用造成影響，直接影響到工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，研究永磁電機(jī)失磁對(duì)電機(jī)性能的影響具有重要的意義。此外，永磁材料特性、電機(jī)的設(shè)計(jì)、電機(jī)的使用環(huán)境及使用方式都是影響永磁體失磁的關(guān)鍵因素，所以永磁體失磁已經(jīng)成為永磁電機(jī)常見故障之一，也是永磁電機(jī)未來所面臨的一個(gè)重要問題。

隨著永磁電機(jī)應(yīng)用的拓展，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者及相關(guān)科研單位在電機(jī)永磁體失磁方面做了大量的研究工作，同時(shí)也取得了一定的成績(jī)。文獻(xiàn)［2 -4］指出造成永磁體失磁的主要原因，并給出了防止失磁的措施;文獻(xiàn)［5］對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行建模仿真，通過模擬電機(jī)失磁故障狀態(tài)下的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)電機(jī)的定子銅耗和定子鐵耗進(jìn)行定量計(jì)算;文獻(xiàn)［6 -7］提出永磁同步電機(jī)永磁體狀況在線監(jiān)測(cè)方法，有效防止了永磁電機(jī)失磁狀況的惡化，降低不可逆失磁的程度;文獻(xiàn)［8 -10］提出利用轉(zhuǎn)矩測(cè)量和小波分析方法，判斷永磁電機(jī)永磁體的失磁率，以及抵抗外磁場(chǎng)、溫度對(duì)電機(jī)永磁體造成不可逆失磁的研究。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，國(guó)內(nèi)外對(duì)于永磁體研究已有一定的基礎(chǔ)，但永磁電機(jī)不同程度失磁對(duì)電機(jī)性能影響的研究還不多見。

本文以一臺(tái)12.5 kW、2 000 r/min 的永磁伺服電機(jī)為例，在保證電壓、頻率、功角不變的情況下，采用有限元分析方法對(duì)電機(jī)工作在正常及永磁體發(fā)生失磁狀態(tài)下進(jìn)行研究，給出電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)永磁體在不同失磁率時(shí)電機(jī)性能的變化情況，揭示永磁電機(jī)諧波磁場(chǎng)、功率因數(shù)、效率、損耗、最大轉(zhuǎn)矩、過載能力的變化機(jī)理。

1 永磁伺服電機(jī)的模型建立

1.1 求解域模型及樣機(jī)參數(shù)

本文以一臺(tái)卷煙自動(dòng)化設(shè)備永磁伺服電機(jī)為例，針對(duì)永磁體不同程度失磁對(duì)電機(jī)性能的影響進(jìn)行研究。計(jì)算過程中，采用二維時(shí)步有限元計(jì)算方法，取永磁電機(jī)的截面為求解區(qū)域，該電機(jī)求解的物理模型如圖1 所示，表1 給出了永磁伺服電機(jī)的基本參數(shù)。

圖1 永磁伺服電機(jī)二維電磁場(chǎng)計(jì)算模型

在電磁場(chǎng)計(jì)算過程中，結(jié)合電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化電磁計(jì)算，作如下假設(shè)［11］:

1)由于鐵心細(xì)長(zhǎng)，電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)沿軸向變化很小，同時(shí)忽略電機(jī)的端部漏磁，采用二維瞬態(tài)場(chǎng)分析時(shí)，向量磁位只有z 軸分量;

2)材料為各向同性;

3)電機(jī)內(nèi)各部分材料的磁導(dǎo)率均勻，而且忽略了材料的電磁特性隨溫度的變化情況;

4)為了探究永磁體失磁對(duì)電機(jī)性能影響的影響機(jī)理，本文重點(diǎn)對(duì)永磁體不同失磁程度對(duì)電機(jī)的影響進(jìn)行研究，近似認(rèn)為永磁體為均勻失磁。

表1 電機(jī)基本參數(shù)(SF12h-1)

1.2 電磁場(chǎng)的基本方程

基于上述二維電磁場(chǎng)計(jì)算模型和電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)相關(guān)理論，矢量磁位A 只有Z 方向的分量，這樣磁場(chǎng)求解方程可表示［11］:

在上述有限元計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合永磁伺服電機(jī)測(cè)試結(jié)果，本文將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如表2 所示。

表2 永磁伺服電機(jī)計(jì)算結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 中給出了永磁伺服電機(jī)額定工作狀態(tài)下電機(jī)輸入電壓、電流、輸出轉(zhuǎn)矩的變化情況。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，有限元計(jì)算結(jié)果與電機(jī)測(cè)試結(jié)果基本一致。

2 永磁電機(jī)失磁對(duì)電機(jī)性能影響

在模型計(jì)算準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對(duì)永磁體不同程度失磁對(duì)電機(jī)性能影響進(jìn)行研究，并重點(diǎn)分別從氣隙磁場(chǎng)、感應(yīng)電勢(shì)、電流、功率因數(shù)、效率、損耗、轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、過載能力等角度，系統(tǒng)地對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析，給出不同參數(shù)的變化規(guī)律，并進(jìn)一步揭示其變化機(jī)理。

2.1 永磁電機(jī)失磁對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響

由于電機(jī)采用高性能的釹鐵硼永磁材料(NdFe35SH)，其最高工作溫度為150℃，且其退磁曲線為直線。為了模擬電機(jī)失磁故障狀態(tài)，該伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁材料剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br和矯頑力Hc的改變近似依照線性變化規(guī)律。即永磁體失磁時(shí)，永磁材料Br下降，Hc也等比例下降，以失磁50%為例，Br和Hc同時(shí)也降低50%。

氣隙磁場(chǎng)分析是電機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)預(yù)估電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)合理性、電磁轉(zhuǎn)矩、損耗等參數(shù)的重要前提，也是衡量電機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此準(zhǔn)確分析永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是十分必要的。永磁體失磁將會(huì)直接引起永磁電機(jī)磁通密度和矯頑力的改變，那么進(jìn)一步將會(huì)對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的波形產(chǎn)生影響［12-14］。本文首先對(duì)該永磁伺服電機(jī)永磁體失磁狀態(tài)下氣隙磁場(chǎng)的變化進(jìn)行了研究，圖2 為永磁體不同程度失磁狀態(tài)下電機(jī)空載和負(fù)載氣隙磁場(chǎng)的最大值變化曲線。

圖2 永磁體不同失磁率下氣隙磁場(chǎng)變化曲線

由圖2 可知，電機(jī)在空載運(yùn)行狀態(tài)下，氣隙磁場(chǎng)為轉(zhuǎn)子永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)，隨著永磁體失磁率的增加，氣隙磁場(chǎng)逐漸減小，永磁體勵(lì)磁正常狀態(tài)下電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的最大值為0. 94 T，當(dāng)永磁體失磁程度在70%時(shí)，電機(jī)氣隙磁場(chǎng)最大值變?yōu)?.28 T，電機(jī)空載氣隙磁場(chǎng)的變化與永磁體的失磁程度基本上呈線性變化關(guān)系。

相對(duì)于永磁體不同程度失磁電機(jī)空載氣隙磁場(chǎng)的變化，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)氣隙磁場(chǎng)的變化較為緩慢。雖然電機(jī)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下，氣隙磁密隨永磁體失磁率的變化為線性，但是負(fù)載氣隙磁密曲線在失磁率為50%時(shí)，出現(xiàn)了拐點(diǎn)。受電機(jī)負(fù)載運(yùn)行電樞反應(yīng)影響，在永磁電機(jī)失磁率超過50%時(shí)，定子電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)所占比重增加，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)氣隙磁密的變化程度相對(duì)減小。

2.2 永磁電機(jī)失磁對(duì)感應(yīng)電勢(shì)、電流的影響

永磁電機(jī)中，永磁材料的失磁可能是局部的，也可能是均勻的，且失磁現(xiàn)象復(fù)雜，為了探究永磁體不同程度失磁對(duì)電機(jī)性能影響的機(jī)理，本文忽略了該永磁電機(jī)不同失磁的復(fù)雜多樣表現(xiàn)形式，以永磁材料均勻失磁為例，給出了該永磁伺服電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)和電流的變化規(guī)律。在計(jì)算分析過程中，為了探究永磁體不同失磁對(duì)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的影響機(jī)理，基于永磁電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)(電壓、功角等參數(shù))不變，僅對(duì)永磁體不同程度失磁的變量對(duì)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行研究。在上述分析的基礎(chǔ)上，圖3 給出了感應(yīng)電勢(shì)、電流隨永磁體失磁率的變化情況。

圖3 永磁體不同失磁率下電流及電勢(shì)變化曲線

感應(yīng)電勢(shì)E0是永磁伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)設(shè)置的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，其直接影響到電機(jī)的空載損耗和電流(這兩個(gè)參數(shù)是永磁伺服電機(jī)出廠試驗(yàn)的關(guān)鍵指標(biāo))。此外，E0的取值范圍的設(shè)計(jì)也直接影響到永磁伺服電機(jī)工作在增磁還是去磁狀態(tài)。

通過圖3 中空載電動(dòng)勢(shì)與失磁率的變化關(guān)系曲線可以看出，在永磁體勵(lì)磁正常情況下，電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)為最大180.8 V，隨著永磁體失磁率的增加，電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)逐漸減小，永磁體失磁率在70%時(shí)空載電動(dòng)勢(shì)為54.8 V，永磁伺服電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)與永磁體失磁率為線性變化關(guān)系。

與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)線性變化規(guī)律不同的是，永磁電機(jī)電流變化規(guī)律為隨著永磁體失磁率的增加先減小再變大。永磁電機(jī)在正常情況下電流為23.5 A，隨著永磁體失磁率增加，電流變小，在永磁體失磁20%時(shí)，電流減至最小為21.6 A，當(dāng)永磁體繼續(xù)失磁電流逐漸變大，永磁體失磁70%時(shí)，電流達(dá)到34.4 A，比正常值大10.9 A。

引起電流非線性變化的因素是多方面的，諧波電流、功率因數(shù)、效率、轉(zhuǎn)矩的變化均可能引起電流的變化。下面我們將分別分析失磁對(duì)以上各因素的影響，并研究電流非線性變化與這些因素的關(guān)系，綜合電機(jī)內(nèi)多種因素的影響機(jī)理分析，最后揭示電流非線性變化的原因。

基于傅里葉諧波分解理論，對(duì)永磁體不同失磁狀態(tài)下的電流進(jìn)行諧波分解，表3 給出了永磁體不同程度失磁狀態(tài)下諧波電流大小及諧波畸變率。

表3 永磁體不同失磁率下電流諧波大小及諧波總畸變率

由表3 中數(shù)據(jù)得出，當(dāng)電機(jī)永磁體在正常狀態(tài)下時(shí)，總諧波電流為0.74 A，總畸變率為1.3%;失磁率在20%時(shí)，電流最小為30.7 A，總諧波電流為0.63 A，總畸變率為1.15%;失磁率在70%時(shí)，總諧波電流為0.48 A，諧波畸變率為0.61%，隨著永磁體失磁率增加，電流的諧波總量以及電流諧波畸變率逐漸減小。

2.3 永磁體失磁對(duì)功率因數(shù)、效率影響

高功率因數(shù)是永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是伺服電機(jī)重要參數(shù)指標(biāo)之一，而且功率因數(shù)的大小與伺服電機(jī)定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、輸入功率等多種因素有關(guān)。由電動(dòng)機(jī)電磁功率和輸入功率公式:

可知，在電壓和功角一定的情況下，功率因數(shù)與定子電流、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有關(guān)。

當(dāng)永磁電機(jī)運(yùn)行參數(shù)(電機(jī)電壓、功角)不變時(shí)，圖4 給出了電機(jī)效率和功率因數(shù)隨電機(jī)永磁體失磁率的變化曲線。

圖4 功率因數(shù)、效率與永磁體失磁率的關(guān)系曲線

結(jié)合上述功率因數(shù)計(jì)算方法與有限元計(jì)算，可以看出轉(zhuǎn)子永磁體在正常勵(lì)磁狀態(tài)下，求得該永磁伺服電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)為1;然而永磁體失磁20%時(shí)，在電機(jī)運(yùn)行功角不發(fā)生改變的前提下，電機(jī)輸出功率降低為9.7 kW，求得功率因數(shù)為0.91;在永磁體失磁50%情況下，電機(jī)輸出功率為6.9 kW，求得功率因數(shù)已降低至0.51。由此可得出，隨著電機(jī)永磁體失磁率的增加，在電機(jī)功角相同條件下，電機(jī)的功率因數(shù)逐漸降低，且失磁率在20%以內(nèi)時(shí)功率因數(shù)變化較小，失磁率超過20%時(shí)功率因數(shù)變化較大。

為響應(yīng)政府節(jié)能減排、綠色環(huán)保的號(hào)召，對(duì)電機(jī)效率的研究已刻不容緩。效率是評(píng)價(jià)一個(gè)電機(jī)性能的重要參數(shù)，效率與輸入功率、輸出功率、電機(jī)損耗等因素有關(guān)，通過對(duì)圖4 中效率曲線分析得出，隨著永磁體失磁率的增加，電機(jī)的效率逐漸降低。永磁體正常時(shí)電機(jī)的效率為93. 3%，永磁體失磁率在20%時(shí)電機(jī)的效率為92.8，永磁電機(jī)失磁率在70%時(shí)電機(jī)的效率為74.5%。永磁體失磁在40%以內(nèi)，電機(jī)效率變化較小，失磁超過40%，電機(jī)效率急劇下降，造成大量的能量損失。

2.4 永磁體失磁對(duì)鐵耗的影響

基于上文中對(duì)永磁伺服電機(jī)不同失磁狀態(tài)下的諧波磁場(chǎng)、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電流、功率因數(shù)等參數(shù)的計(jì)算分析，本文進(jìn)一步對(duì)電機(jī)鐵心損耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行定量分析，研究永磁伺服電動(dòng)機(jī)各部分損耗與永磁材料失磁程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

永磁電機(jī)的定子鐵心損耗準(zhǔn)確計(jì)算是電機(jī)損耗分析中的難點(diǎn)，工程實(shí)踐中常采用與異步電動(dòng)機(jī)相類似的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行近似計(jì)算，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以修正。為了計(jì)算更加準(zhǔn)確，本文結(jié)合時(shí)步有限元計(jì)算方法，在給定工作頻率下，硅鋼片的鐵心損耗一般按照如下公式計(jì)算［15］:

式中:Kh，Kc和Ke分別為磁滯損耗系數(shù)、傳統(tǒng)和附加渦流損耗系數(shù);Bm為磁密幅值。

受電機(jī)內(nèi)不同諧波磁場(chǎng)作用，伺服電機(jī)永磁體緊固不銹鋼護(hù)套和永磁體材料內(nèi)都將會(huì)感應(yīng)生成渦流損耗，升高轉(zhuǎn)子溫度。為了防止永磁體高溫失磁，對(duì)于轉(zhuǎn)子渦流損耗的計(jì)算研究至關(guān)重要，式(6)給出了周期Te時(shí)間內(nèi)永磁伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗Pe的計(jì)算［16-17］:

式中:Je是永磁伺服電機(jī)單元感應(yīng)渦流電密;Δe為永磁伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子部分單元面積;lt是該電機(jī)軸向長(zhǎng)度;σr為電機(jī)轉(zhuǎn)子材料電導(dǎo)率。

基于上述計(jì)算方法，圖5 給出了永磁伺服電機(jī)鐵心損耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗與永磁體失磁率的變化關(guān)系。

圖5 永磁體不同失磁率下鐵心與渦流損耗變化曲線

上節(jié)我們已經(jīng)得出，隨著永磁體失磁率的增加，磁通密度逐漸減小，根據(jù)鐵耗近似計(jì)算公式可推出，隨著永磁體失磁率的增加，鐵耗逐漸減小。永磁電機(jī)正常時(shí)鐵耗為107.8 W，永磁電機(jī)失磁率在70%時(shí)鐵耗為84.6 W，兩者相比鐵耗降低了23.2 W。

與電機(jī)鐵心損耗變化規(guī)律不同的是，轉(zhuǎn)子渦流損耗的變化規(guī)律為先降低再增加，隨著永磁體失磁率的增加，轉(zhuǎn)子的渦流損耗變化率也在逐漸增加，即斜率逐漸變大。將定子電流與渦流損耗進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，定子電流變化規(guī)律與渦流損耗變化規(guī)律相同，都是先變小后變大，永磁體失磁率在20%處值最小，可見定子電流與轉(zhuǎn)子渦流損耗成正比關(guān)系。

渦流損耗直接由渦流電密分布范圍以及其數(shù)值大小決定，為了進(jìn)一步揭示渦流損耗的變化機(jī)理，本文基于有限元分析方法對(duì)轉(zhuǎn)子護(hù)套和永磁體內(nèi)的渦流分布進(jìn)行了詳細(xì)的分析，圖6 給出了永磁體在不同失磁狀態(tài)下永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套和永磁體內(nèi)渦流電密的分布情況。

圖6 永磁體不同失磁率下轉(zhuǎn)子渦流電密的變化

由圖6 可以看出，永磁伺服電機(jī)渦流電密相對(duì)集中在轉(zhuǎn)子護(hù)套內(nèi)，由于轉(zhuǎn)子護(hù)套采用不銹鋼材料，其電導(dǎo)率相對(duì)較高，對(duì)于電機(jī)氣隙內(nèi)諧波磁場(chǎng)的屏蔽作用較為明顯，因此氣隙內(nèi)的諧波磁場(chǎng)在永磁內(nèi)感應(yīng)的渦流相對(duì)很小。

此外，在電機(jī)轉(zhuǎn)子相同位置，正常時(shí)轉(zhuǎn)子渦流電密的最大值為2. 0 × 106A/m2;永磁體失磁率在20%時(shí)，轉(zhuǎn)子渦流電密的最大值為1.6 ×106A/m2;永磁體失磁率在70%時(shí)，轉(zhuǎn)子渦流電密的最大值為2.2 ×106A/m2;渦流電密最大值的變化也呈現(xiàn)非線性，與電機(jī)轉(zhuǎn)子電流變化一致，直接受永磁電機(jī)電樞反應(yīng)影響。

2.5 永磁體失磁對(duì)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩的影響

轉(zhuǎn)矩是永磁電動(dòng)機(jī)的重要性能指標(biāo)之一，它與功率、轉(zhuǎn)速及電機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。由電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式:

式中:ω 為電機(jī)的電角速度;p 為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

在功角、電壓、轉(zhuǎn)速一定的情況下，永磁電機(jī)在永磁體失磁狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩與感應(yīng)電勢(shì)成正比。從上節(jié)永磁電機(jī)失磁對(duì)感應(yīng)電勢(shì)的影響可以得出，隨著永磁體失磁率的增加，逐漸變小，且近似為線性變化規(guī)律。

另一方面，基于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的分析，本文進(jìn)一步對(duì)永磁伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩以及其過載能力進(jìn)行了對(duì)比研究。圖6 給出了永磁伺服電機(jī)永磁體不同失磁程度下電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩的變化情況。在永磁體正常勵(lì)磁狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩為53.6 N·m，永磁體失磁70%時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩僅為為18.2 N·m。

圖7 不同失磁率下轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩變化曲線

永磁電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為電機(jī)的過載能力，比值越大，過載能力越強(qiáng)，一般在1.8 ～3.0 之間。當(dāng)永磁體勵(lì)磁正常時(shí)，電機(jī)的過載能力為1.68;永磁體失磁20%時(shí)，電機(jī)過載能力為1.34;永磁體失磁45%時(shí)，電機(jī)的過載能力為1.04 左右。通過以上分析可以看出，永磁電機(jī)隨著永磁體失磁程度的增加，其過載能力逐漸降低，當(dāng)永磁體失磁程度達(dá)到45%以上時(shí)，永磁電機(jī)已無法達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。

由式(2)、式(3)可以推出電機(jī)定子電流的表達(dá)式如下:

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用電磁場(chǎng)時(shí)步有限元計(jì)算方法，結(jié)合永磁電機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)分析理論，在永磁電機(jī)運(yùn)行參數(shù)不變的條件下，研究了永磁伺服電機(jī)永磁體不同程度失磁對(duì)電機(jī)性能的影響，并得出如下結(jié)論:

(1)永磁伺服電機(jī)隨著永磁體失磁程度的增加，電機(jī)內(nèi)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的變化為線性變化規(guī)律。但是永磁電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，氣隙磁密的變化出現(xiàn)了拐點(diǎn)，受電機(jī)電樞反應(yīng)影響，在永磁體失磁率超過50%時(shí)，定子電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)所占比重增加，因此氣隙磁密的變化程度相對(duì)減小。

(2)永磁體出現(xiàn)失磁之后，電機(jī)的功率因數(shù)和效率隨著失磁率的增加而減少，而且隨著永磁體失磁程度分別超過20%、70%時(shí)，電機(jī)的功率因數(shù)、效率變化程度急劇增大。受永磁電機(jī)電樞反應(yīng)影響，渦流電密最大值的變化電機(jī)轉(zhuǎn)子電流變化一致，呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律，因此永磁電機(jī)在運(yùn)行電壓與功角不變條件下，轉(zhuǎn)子渦流損耗隨著永磁體失磁率的增加先減小后增大。

(3)通過對(duì)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩以及過載能力的分析可以看出，永磁電機(jī)隨著永磁體失磁程度的增加其過載能力逐漸降低，當(dāng)永磁體失磁程度達(dá)到45%以上時(shí)，永磁電機(jī)已無法達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。

(4)綜合以上分析，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)不變時(shí)，由于永磁電機(jī)定子電流受空載電動(dòng)勢(shì)、功率因數(shù)、效率綜合因素的影響，使得其變化曲線為一條先變小后變大的非線性曲線，且在失磁率為20%時(shí)定子電流最小。

［1］ 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］ 林巖.銣鐵硼永磁電機(jī)防高溫失磁技術(shù)的研究［D］. 沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2006.

［3］ 張志艷，馬宏忠，陳誠(chéng)，等. 永磁電機(jī)失磁故障診斷方法綜述［J］.微電機(jī)，2013，46(3):77 -80.

［4］ 范國(guó)棟.永磁同步電機(jī)內(nèi)永磁體退磁研究［D］. 濟(jì)南:山東大學(xué)，2013.

［5］ 王剛，馬宏忠，梁偉銘，等.稀土永磁同步電機(jī)失磁對(duì)電機(jī)損耗的影響［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(2):177 -179.

［6］ 肖曦，張猛，李永東.永磁同步電機(jī)永磁體狀況在線監(jiān)測(cè)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(24):43 -47.

［7］ 伍召莉.永磁同步電機(jī)失磁分析及在線監(jiān)測(cè)［D］. 北京:北京交通大學(xué)，2012.

［8］ EBRAHIMI B M，F(xiàn)AIZ J. Demagnetization fault diagnosis in surface mounted permanent magnet synchronous motors［J］. IEEE Transactions on Magnetics，2013，49(3):1185 -1192.

［9］ SARIKHANI A，MOHAMMED O. Real - time demagnetization assessment of PM synchronous machine［C］//2012 20th International Conference on ICEM.2012:2418 -2424.

［10］ SHI Wei，ZHANG Zhou-yun.Multiobjective optimum design method with anti-demagnetization of high-density permanent magnet synchronous motor［J］.IEEE Transactions on Eleatronic Engineering，2014，9(5):555 -562.

［11］ 湯蘊(yùn)樛，梁艷萍.電機(jī)電磁場(chǎng)的分析與計(jì)算［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［12］ RUSCHETTI C，VERUCCHI C，BOSSIO G，et al.Rotor demagnetization effects on permanent magnet synchronous machines［J］.Energy Conversion And Management，2013，74:1 -8.

［13］ MCFARLAND J D，JAHNS T M.Investigation of the rotor demagnetization characteristic of interior PM synchronous machines during fault conditions［J］. IEEE Transactions on Industry Applications，2014，50(4):2768 -2775.

［14］ ZHU Sa，CHENG Ming，DONG Jiang-ning，et al.Core loss analysis and calculation of permanent - magnet machine considering DC-biased magnetic induction［J］.IEEE Transaction on Industrial Electronics，2014，61(10):5203 -5212.

［15］ 邱洪波.高速永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗優(yōu)化及對(duì)溫度分布影響的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2014.

［16］ LI Wei-li，QIU Hong -bo，ZHANG Xiao -chen，et al. Influence of copper plating on electromagnetic and temperature field in a high - speed permanent magnet generator［J］. IEEE Trans. on Magn.，2012，48(8):2247 -2253.

［17］ LI Wei-li，WANG Jing，ZHANG Xiao -chen，et al. Loss calculation and thermal simulation analysis of high -speed PM synchronous generators with rotor topology［C］//Computer Application and System Modeling(ICCASM)Conference，2010:612 -616.