摘 要：永磁同步电机具有效率高、功率密度高、可靠性高、控制性好等优点，在国防、航空航天、计算设备、工程应用等领域获得了越来越广泛的应用。对失磁故障原因进行了全面的分析，提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度，提高系统可靠性。
关键词：永磁同步电机 失磁原因 离线检测 在线检测
中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-031-02
1 永磁体失磁的影响因素
在研究所有存在磁性材料的时候，分析磁性材料的磁性的稳定性是不可避免的。对于永磁体同样不可避免需分析永磁体自身的磁性稳定性，永磁体磁性的稳定性涉及到很多方面，比如机械振动、外磁场、辐射、撞击、化学腐蚀甚至时间、温度等。而对于车用的永磁电动机的永磁体磁性散失的原因更是相当的复杂，牵涉到了跨专业跨行业的知识。但总的来说，电磁、材料本身性能和机械这些方面是引起永磁体失磁的主要原因。
1.1 电磁原因
致使永磁体失磁的电磁方面的因素包括两个方面：去磁磁场跟高温。失磁可能是高温或者去磁磁场一个因素所引起的，也可能是高温和去磁磁场两个因素同时的作用而导致。相关研究表明高温跟去磁磁场的同时作用导致失磁的概率较高。另一方面电机合成磁场谐波能够在永磁体外部产生涡流，很可能会使永磁体的本来的高温升的更高。再有加入控制系统还不稳定，在高速度运转时可能会产生过大的去磁电流（Id），这时就有可能造成不可逆的失磁现象。
1.1.1 涡流的影响
因为钕铁硼永磁材料居里温度相对偏低，温度稳定性较差，其温度系数和不可逆损失都相对偏高，一旦电机处于高速弱磁时亦或者是在负载工况时，这时电机自身的合成磁场就会存在大量的谐波，此时就会在永磁体的外部形成涡流，进而会导致永磁体的温度上升，换句话来说也就提高了永磁体失磁的概率。而对于V型结构的内置式磁路，因为这种特殊的结构而将永磁体埋的很深，才得以使转子铁心得到很好的保护，但又由于集肤效应，两者的共同原因虽然会使距离气隙相对远的一边仅少量的失磁，但另一边即较近的方向则会出现严重的失磁现象。同时，研究调查显示，对于温度这一因素，因定子转子的温度总体上的一致性，可得出涡流的的现象并不是关键性的因素，也就是说，涡流不会导致不可逆失磁。
1.1.2 控制系统不稳定的影响
在高速峰值的工作状况下进行调节实验，一旦控制响应速度过慢或者控制的参数不够准确，可能导致Id过大，也可能因此引起永磁体出现不可逆失磁。依据对样机永磁体外部的磁感应强度的检测表明，一部分永磁体出现了反相磁场，这些现象表明因为Id过大而导致的概率比较高。
1.2 材料原因
可能在永磁体的检测数据方面显示样机的永磁体是很正常，但在永磁体的检测方面，现在的永磁体厂家所使用的检测方法普遍存在下列的问题，从而使得检测条件不能及时的地反映出实际的运用用情况：一方面，对永磁体的检测不是实际使用时电机运用交流去磁法，而采用的是直流去磁的方式，两种方式的去磁效果很明显是不一样的；另一方面，永磁体检测的试样方法也不能反映实际情况，试验时一般使用的是十乘十的圆柱体，而实际使用的是面积比较大的矩形。
稀土永磁电机在外界各方面都得到了广泛应用，这主要归功于它的功率密度，控制性能及转矩质量比等方面都表现出了很好的优势。虽然稀土永磁电机的优势很多，但仍有其劣势，具体表现在失磁和磁场的波动上：因为钕铁硼永磁的内部材料的温度都相对偏低，在温度方面的稳定性则不够理想，不可逆性的损失以及温度系数均相对较高，以致使在高温运行时磁损就严重，并且在电机启动或者刹车以及故障的状况下电流都会激增，将会引起不可逆性的失磁。因以上这些原因，导致永磁电机在实际的应用当中并不理想。
1.3 永磁体的自然失效
在常规的环境中，在永磁电机充磁后，长期运行即使忽略外界环境和其他外界条件的影响，永磁体的磁性也会随着时间的变化而改变，开路磁通随着时间而损失的百分比叫时间稳定性，也称为自然失效。自然失效跟永磁体的尺寸及使用的材料的内禀矫顽力有关。研究资料显示永磁材料随着时间的磁通损失与所经历的时间对数基本成线性关系。
2 检测系统的意义
2.1 失磁检测
永磁电机中的永磁体失磁后，其性能就会出现很明显的下降，电流增大再有出力不足，甚至严重的话会导致电机不能驱动负载以致烧坏电机。电机失磁与否，可以用磁通表检测电机的气隙磁场，如果损失严重的，应充磁稳磁后再使用。另外，也可以通过空载反电动势来判定电机的失磁状况，其方法为：电机在额定电压，额定频率下空载运行达到稳定，调节电机的外加电压，使其电流最小，此时的外加电压可近似为空载反电动势，测出三个出线端的外加电压，取其平均值即为空载反电动势。
2.2 基于卡尔曼滤波器的永磁体磁链观测法
上面所介绍的是离线检测，往往是发生故障以后才采取的检测，但已经是损坏非常严重的了，对于重要的场合，如电梯的永磁同步电机，就会可能对生命安全构成危险。现阶段在线检测的线性估计算法是卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器是一种由卡尔曼（Kalman）提出的用于时变线性系统的递归滤波器。下列方程列出的是永磁同步电机的离散化非线性测量和非线性系统模型，其主要目的是将卡尔曼滤波器运用到永磁体磁链的在线状态估计中。
从上式中可以得出：系统噪声 (t)较多的注重了模型的不确定性和系统的扰动；为测量噪声，则注重了测量的不精确性，其u(t)为确定性输入向量；矩阵方差分别为R和Q(t)；初始时候向量xt 为其含有方差P、均值x 的高斯随机向量。
状态、输入和输出各向量分别为：
计算雅克比矩阵得：
从上面的公式可以得出，选取定子电流作为输出向量，定子电压与电感的商作为输入向量，永磁体磁链和定子电流作为状态向量，永磁同步电机系统就可以描述成一个四阶系统。因状态变量中含有永磁体磁链，则可通过实对现状态的估计来达到对永磁体磁链的检测。运用卡尔曼滤波器的相关估计以及tk-1到tk采样的时间间隔，可通过下列两步来得出最佳状态估计x以及方差p。
预测阶段：运用作用于系统的输入向量以及从tk-1 到tk的时间间隔最新的状态估计来计算状态向量预测值以及状态误差协方差。可以通过简单的矩形积分技术离散化，预测阶段的递推可由下列的公式表示：
其中，式中的T 为采样的时间间隔。再由一个对角阵、一个时变矩阵以及一个非时变矩阵构成系统的噪声协方差矩阵Q(t)，由于实际操作中的系统运行途中对采样时间的中断影响，可通过一个非时变对角阵Qd来取代。
修正阶段：一般运用实际得到的数据来进行修正在预测步骤得到的状态估计以及状态误差协方差。对应可由下列公式表示：
其中，式中的Kk 表示滤波器增益矩阵，可通过预测步骤得到的估计值进行递推得出。
2.3 永磁体磁链动态监测的永磁同步电机控制系统
常规的永磁电机系统是运用转子磁场定向来进行矢量控制，它是通过电机速度以及负载指令来进行同步的监控电压极限环，一般电压极限环内进行的是i=0的检测方式，不然就转变为弱磁启动。永磁电机就会通过对磁链同步的检测数据来鉴定，并且相对应的调节其速度调节器参数、电压极限以及d-q轴的定向问题。常规来说，控制系统的框图由永磁体故障处理模块、电流调节器、弱磁控制模块、速度调节器、位置检测模块以及永磁体磁链观测器构成。永磁体当前幅值以及偏角观测的结果将永磁体磁链观测器检测。弱磁控制模块就会跟据当时的永磁体磁链参数、速度指令以及电机运行状况来提供d轴的电流参考数据。根据永磁体磁链的及时动态信息会给出永磁体故障处理模块以报警信号，以避免电机产生永久性的不可逆失磁，更加详细的解决方法与永磁材料型号还有电机的结构有关系。再有因为系统中永磁体的磁链变化的过程相比较为缓慢，则可以将永磁体磁链的检测信息导入系统进行校正，校正的时间的间隔长度会控制在一到三秒之间，这样就能确保检测的途中稳定并收敛。同时为防止系统校正的周期过短，检测的磁链幅值变化以及其角度变化都能通过一些相应的动作阈值来进行监控，监控会在磁链的幅值变化及角度差超出了一定的范围后才会进行校正。
3 结论
本文主要谈了永磁同步电机的离线和在线检测。目前，永磁同步电机的失磁检测主要是离线的，没有预估性，尤其对于电梯这样的特种设备，电梯厂家应当配备永磁同步电机失磁的动态检测功能，以确保人民的生命安全，国家也应当从法规上强制这一技术标准。
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