摘要：利用有限元法分析不同温度下发生相间和单相短路故障对永磁电机的暂态失磁影响，研究不同类型失磁电机的空载反电势和磁链波形及其各次谐波的变化规律，并对两类失磁电机带故障运行的行为表现和继续失磁的情况进行对比研究，为判断短路故障类型、失磁严重程度进而完善电机在线监测理论提供依据。
    0  引  言

永磁电机因具有结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高等显著特点而被广泛应用于各个领域．并可能成为未来发展的主流电机。随着永磁电机发展方向的增多，其运行环境也月益复杂，需对永磁电机的安全运行给予更多重视钕铁硼永磁材料冈具有高磁能积和不含战略物资等特点而在永磁电机中得到迅速推广，但该材料因热稳定性较差，矫顽力具有负温度系数等特点，使得永磁电机发生绕组故障后，电机受到的暂态失磁影响与传统电励磁机有所不同，特别是短路故障引起的暂态冲击电流，有可能导致永磁体出现局部不可逆失磁，且往往难以直接监测．电机不对称运行时其内部的负序电流所产生的反向旋转磁场可在电机内部产生感应电流将增加铜耗和铁耗，同时还伴随一系列高次谐波，从而影响电机运行。实际上发生不对称短路故障产生的暂态冲击电流对永磁体的去磁作用较稳态短路电流更大，且永磁体往往是局部去磁，而非整体失磁及早发现永磁电机失磁隐患、采取保护措施，降低永磁电机维修成本和经济损失，提高系统运行的安全可靠性，将成为保证永磁电机安全可靠运行的重要研究课题。目前针对永磁电机绕组故障引起永磁体失磁的研究以及失磁后电机的运行行为的研究相对较少，文献[10]提出在轴向上将永磁体分为若干小块并分别填充不同的材料属性以模拟不同失磁状态，并提取了空载反电势及磁链波形作为特征参数，但文献中设立的故障模型与实际发生失磁故障的永磁体有所差异，且文献没有考虑高次谐波对反电势及磁链的影响情况。文献[11]利用磁场重建理论对发生局部失磁的永磁体进行研究，利用电磁软件建立了四台出现不同失磁程度的永磁电机，并将其负载运行参数进行了对比，揭示了不同失磁程度的电机额定电压下的运行行为，但该文献没有考虑失磁电机在其他条件下作电动运行时的行为表现。
    针对以上不足，本文运用电磁场软件Ansoft建立表贴式永磁电机的暂态计算模型，分析绕组突然发生两种不对称短路故障的暂态影响过程，并对不同温度下永磁体的失磁状态进行对比，通过提取不同失磁程度的永磁电机空载反电势及磁链变化波形及其谐波变化特点，来判断短路故障类型及永磁体的失磁严重程度，并继续对失磁电机带额定负载运行时的电流、转矩以及永磁体继续失磁的程度等问题进行了对比研究，为电机在线监测提供依据。
    1  永磁电机模型及参数设定为研究相问和单栩短路故障对永磁体的去磁影响，本文建立一6极36槽表贴式永磁同步电机，其1／6模型如图l所示，主要设计参数见表1。该电机采用的钕铁硼永磁体材料牌号为N35SEH，不同温度下的特性曲线如图2所示，在工作温度为120℃、140℃和150℃时，永磁材料出现不可逆失磁的拐点分别取为0.2 T、0．3 T和0.4 T。
    2不对称短路故障的失磁影响2．1  失磁影响及故障模型建立为研究发生B、c相间和A相对地两种不对称短路对永磁体的暂态失磁影响，首先在软件中应建立一个额定运行至60ms的正常电机模型；然后与另外一个已经将绕组短路故障设定好的模型相互连接并仿真分析。此时发生相问和单相短路故障时永磁电机的电流及转矩变化波形，如图3、图4所示。
    图3、图4中，发生两种不对称短路故障将引起不同的****暂态冲击电流；80ms后的稳态短路电流幅值小于暂态冲击电流幅值，且额定转矩由正变为负。此时两种短路故障的****暂态和稳态电流出现时刻、幅值及稳态转矩值如表2所示。
    由表2可知，发生相间短路后较晚出现****暂态冲击电流，但其****暂态和稳态电流及稳态转矩值均较单相短路故障大。
    显然，短路故障产生的暂态冲击电流值较稳态短路电流值更大，对永磁体的去磁作用也更大。此时不同工作温度下由两种不对称短路故障对永磁体失磁影响，如图5所示，图中左右两边分为相问和单相短路引起失磁的永磁体的磁密分布，虚线区域内永磁体磁密低于相应拐点，为不可逆失磁区(下同)。
    由图5可知，温度越高，短路故障对永磁体的失磁影响越大；相同温度下，相间短路大于单相短路对永磁体的失磁影响。
    根据永磁体失磁后的磁密分布建立相应的故障模型如图6所示，其中不可逆失磁区域的材料设置为真空，见深色部分，未失磁部分仍采用N35sH材料。
    2．2失磁故障电机的反电势和磁链将图6后中设定的永磁体失磁故障模型代人无转子的正常电机模型中空载运行，两种不对称短路失磁电机的反电势及磁链波形如图7所示，其中实线、点、虚线和点划线分别代表未失磁和温度在120℃、140℃和150℃时失磁状态(下同)。
    由图7所示，失磁电机的空载反电势和磁链波形幅值均小于未失磁电机；同一类短路故障引起失磁的电机其空载反电势和磁链的波形都相同，幅值随永磁体失磁程度的增加而减小；同一温度下，由单相短路引起失磁的电机其空载反电势和磁链波形幅值大于相间短路失磁电机。
    将图7巾不同失磁电机的空载反电势及磁链波形进行FFT分析，则不同温度下未失磁、相间失磁及单相失磁电机的反电势及磁链的基波和三次谐波幅值见表3。
    表3  未失磁及失磁电机的反电势及磁链基波及三次谐波含量由表3所示，失磁电机的空载反电势和磁链的基波幅值均小于未失磁电机，并随失磁程度的增加而减小；反电势的三次谐波几乎为O，可以忽略不计‘，磁链的三次谐波随失磁程度的增加而增加。
    由于高次谐波对反电势和磁链波形的影响非常大，且通过总结各次谐波的规律可以作为判断失磁故障及永磁体失磁程度的依据，战失磁电机反电势和磁链的其他各次谐波含量变化如图8所示。其中横线、下斜线、上斜线和曲线分别表示未失磁、120℃、140℃和150℃时发生失磁的电机的谐波幅值。
    由相间短路引起失磁的电机反电势的5、7和13次谐波以及磁链的7次谐波幅值随失磁程度的增加而逐渐增大；发生单相短路故障的失磁电机反电势的7次谐波以及磁链的7、9次谐波幅值随失磁程度的增加而逐渐增大；其他次谐波随失磁程度的增加而渐减小。
    通过提取和分析相问和单相短路故障引起失磁的电机其空载反电势和磁链的波形及其各次谐波幅值变化的规律，可以作为判断绕组短路故障类型及永磁体失磁程度的依据。
    3失磁电机继续额定负载运行由暂态冲击电流引起局部失磁的电机若未被及时检测出来并加以处理，而仅仅是消除了绕组短路故障并让其继续运行，则系统控制器试图将该电机调节回额定状态直到控制电流达到饱和，此时不考虑限流器的过电流保护作用，并假设电机不会因电流过大而被烧毁。利用软件中 Damping选项，用阻尼转矩米代替负载转矩，达到自动调整功角的目的。
    为研究失磁电机带额定负载时的运行行为，仿真计算由相间和单棚短路引起失磁的电机输出额定转矩时的电流和输出转矩波形，如图9所示。
    图9中，相间和单相短路故障引起失磁的电机在额定负载下电动运行时所需电流幅值及转矩波动率均较末失磁电机大，电流相角也超前于未失磁电机。此时失磁电机电流和输出转矩波动率如表4所示。
    表4中，相同温度下南相问短路引起失磁的电机所需的电流幅值和转矩波动率均较单相短路失磁电机大。不同温度时由同一类短路故障引起失磁的电机需电流幅值及转矩波动率随永磁体失磁程度的增加而增大。
    失磁故障电机输出额定转矩时绕组电流的明显增加，有可能造成永磁体的进一步失磁，图10给出了相同应状态下永磁体的磁密分布。    图10可见，同一温度下由相间短路引起失磁的电机带额定负载运行时永磁体继续失磁的区域较单相短路大。不同温度下由同一类短路故障引起失磁的电机，若永磁体已发生的失磁故障越严重，则继续失磁的区域和风险也将越大。
    4结论
本文通过电磁场有限元方法研究了相间短路和单相短路故障对表贴式永磁电机的失磁影响，结果表明：
    1)发生不对称短路时主要由暂态冲击电流引起永磁体发生局部不可逆失磁，且失磁程度随电机工作温度的升高而增加。
    2)失磁电机的空载反电势和磁链波形基波幅值均小于未失磁电机；同一类短路故障引起失磁的电机其空载反电势和磁链的波形都相同，基波幅值随失磁程度的增加而减小；而其他次谐波随失磁程度规律性变化，通过提取和分析空载反电势和磁链的波形及其各次谐波幅值变化的规律，可以作为判断绕组短路故障类型及永磁体失磁程度的依据。
    3)相间短路引起失磁的电机继续额定负载运行时其电流幅值、转矩波动率及永磁体继续失磁的区域都大于由单相短路引起失磁的电机，通过分析失磁电机的运行行为，可以为电机在线监测提供依据。
    上述结论为进一步深入研究永磁电机永磁体失磁及最终实现在线监测奠定了一定的基础。