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淺析影響永磁同步電機的因素有哪些?

文章出處:www.cee123.com  |  發布時間:2018/9/15 16:35:44  |  瀏覽次數:667

                                                 淺析影響永磁同步電機的因素有哪些?
     永磁同步電機具有效率高、功率密度高、可靠性高、控制性好等優點,在國防、航空航天、計算設備、工程應用等領域獲得了越來越廣泛的應用。對失磁故障原因進行了全面的分析,提出了離線和在線檢測方法。基于永磁體磁場狀況的動態監測,可防止永磁電機失磁狀況的惡化,降低不可逆失磁程度,提高系統可靠性。
     1 永磁體失磁的影響因素
在研究所有存在磁性材料的時候,分析磁性材料的磁性的穩定性是不可避免的。對于永磁體同樣不可避免需分析永磁體自身的磁性穩定性,永磁體磁性的穩定性涉及到很多方面,比如機械振動、外磁場、輻射、撞擊、化學腐蝕甚至時間、溫度等。而對于車用的永磁電動機的永磁體磁性散失的原因更是相當的復雜,牽涉到了跨專業跨行業的知識。但總的來說,電磁、材料本身性能和機械這些方面是引起永磁體失磁的主要原因。
     1.1 電磁原因
     致使永磁體失磁的電磁方面的因素包括兩個方面:去磁磁場跟高溫。失磁可能是高溫或者去磁磁場一個因素所引起的,也可能是高溫和去磁磁場兩個因素同時的作用而導致。相關研究表明高溫跟去磁磁場的同時作用導致失磁的概率較高。另一方面電機合成磁場諧波能夠在永磁體外部產生渦流,很可能會使永磁體的本來的高溫升的更高。再有加入控制系統還不穩定,在高速度運轉時可能會產生過大的去磁電流(Id),這時就有可能造成不可逆的失磁現象。
     1.1.1 渦流的影響
     因為釹鐵硼永磁材料居里溫度相對偏低,溫度穩定性較差,其溫度系數和不可逆損失都相對偏高,一旦電機處于高速弱磁時亦或者是在負載工況時,這時電機自身的合成磁場就會存在大量的諧波,此時就會在永磁體的外部形成渦流,進而會導致永磁體的溫度上升,換句話來說也就提高了永磁體失磁的概率。而對于V型結構的內置式磁路,因為這種特殊的結構而將永磁體埋的很深,才得以使轉子鐵心得到很好的保護,但又由于集膚效應,兩者的共同原因雖然會使距離氣隙相對遠的一邊僅少量的失磁,但另一邊即較近的方向則會出現嚴重的失磁現象。同時,研究調查顯示,對于溫度這一因素,因定子轉子的溫度總體上的一致性,可得出渦流的的現象并不是關鍵性的因素,也就是說,渦流不會導致不可逆失磁。
     1.1.2 控制系統不穩定的影響
     在高速峰值的工作狀況下進行調節實驗,一旦控制響應速度過慢或者控制的參數不夠準確,可能導致Id過大,也可能因此引起永磁體出現不可逆失磁。依據對樣機永磁體外部的磁感應強度的檢測表明,一部分永磁體出現了反相磁場,這些現象表明因為Id過大而導致的概率比較高。
     1.2 材料原因
     可能在永磁體的檢測數據方面顯示樣機的永磁體是很正常,但在永磁體的檢測方面,現在的永磁體廠家所使用的檢測方法普遍存在下列的問題,從而使得檢測條件不能及時的地反映出實際的運用用情況:一方面,對永磁體的檢測不是實際使用時電機運用交流去磁法,而采用的是直流去磁的方式,兩種方式的去磁效果很明顯是不一樣的;另一方面,永磁體檢測的試樣方法也不能反映實際情況,試驗時一般使用的是十乘十的圓柱體,而實際使用的是面積比較大的矩形。
稀土永磁電機在外界各方面都得到了廣泛應用,這主要歸功于它的功率密度,控制性能及轉矩質量比等方面都表現出了很好的優勢。雖然稀土永磁電機的優勢很多,但仍有其劣勢,具體表現在失磁和磁場的波動上:因為釹鐵硼永磁的內部材料的溫度都相對偏低,在溫度方面的穩定性則不夠理想,不可逆性的損失以及溫度系數均相對較高,以致使在高溫運行時磁損就嚴重,并且在電機啟動或者剎車以及故障的狀況下電流都會激增,將會引起不可逆性的失磁。因以上這些原因,導致永磁電機在實際的應用當中并不理想。
     1.3 永磁體的自然失效
     在常規的環境中,在永磁電機充磁后,長期運行即使忽略外界環境和其他外界條件的影響,永磁體的磁性也會隨著時間的變化而改變,開路磁通隨著時間而損失的百分比叫時間穩定性,也稱為自然失效。自然失效跟永磁體的尺寸及使用的材料的內稟矯頑力有關。研究資料顯示永磁材料隨著時間的磁通損失與所經歷的時間對數基本成線性關系。
     2.檢測系統的意義
     2.1 失磁檢測
     永磁電機中的永磁體失磁后,其性能就會出現很明顯的下降,電流增大再有出力不足,甚至嚴重的話會導致電機不能驅動負載以致燒壞電機。電機失磁與否,可以用磁通表檢測電機的氣隙磁場,如果損失嚴重的,應充磁穩磁后再使用。另外,也可以通過空載反電動勢來判定電機的失磁狀況,其方法為:電機在額定電壓,額定頻率下空載運行達到穩定,調節電機的外加電壓,使其電流小,此時的外加電壓可近似為空載反電動勢,測出三個出線端的外加電壓,取其平均值即為空載反電動勢。
     2.2 基于卡爾曼濾波器的永磁體磁鏈觀測法
     上面所介紹的是離線檢測,往往是發生故障以后才采取的檢測,但已經是損壞非常嚴重的了,對于重要的場合,如電梯的永磁同步電機,就會可能對生命安全構成危險。現階段在線檢測的線性估計算法是卡爾曼濾波器,卡爾曼濾波器是一種由卡爾曼(Kalman)提出的用于時變線性系統的遞歸濾波器。下列方程列出的是永磁同步電機的離散化非線性測量和非線性系統模型,其主要目的是將卡爾曼濾波器運用到永磁體磁鏈的在線狀態估計中。
從上式中可以得出:系統噪聲 (t)較多的注重了模型的不確定性和系統的擾動;為測量噪聲,則注重了測量的不準確性,其u(t)為確定性輸入向量;矩陣方差分別為R和Q(t);初始時候向量xt 為其含有方差P、均值x 的高斯隨機向量。
本文主要談了永磁同步電機的離線和在線檢測。目前,永磁同步電機的失磁檢測主要是離線的,沒有預估性,尤其對于電梯這樣的特種設備,電梯廠家應當配備永磁同步電機失磁的動態檢測功能,以確保人民的生命安全,國家也應當從法規上強制這一技術標準。

 

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