作者：邱洪波,王延峰 等
出版社：电子工业出版社
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永磁电机电磁场与温度场计算试读：
前言
永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小、质量轻；损耗小、效率高的特点；电机的形状和尺寸也可以灵活多样，因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。为了进一步促进高性能永磁电机在电机驱动领域的推广和应用，本书尽可能详细的对电机设计过程中电磁场和温度场的分析进行了系统全面的阐述。对永磁电机存在的热点问题进行了分析研究，给出了电机设计分析过程中的一般规律及相关优化方法，为高效高性能永磁电机的设计提供参考。
本书内容力求反映作者多年来在永磁电机领域中取得的研究成果。全书共分为8章。第1章论述了永磁电机发展现状，对永磁电机电磁场与温度场的分析方法进行了系统的介绍；第2章对永磁电机结构及分析基本理论、控制方法进行了阐述；第3章基于二维有限元计算方法，对永磁电机进行了系统的建模仿真计算，将软件应用与工程实例相结合；第4章对永磁电机温度场进行了计算分析，详细给出了有限元计算方法和热网络计算方法在永磁电机分析中的应用，并对影响电机内温度分布的关键因素进行了分析研究；第5章针对用正弦波驱动和方波驱动的永磁电机电磁场进行了研究，确定了两种驱动方式对电机的影响并揭示了影响电机输出能力极限的关键因素；第6章研究了永磁电机结构优化理论与方法，包括电机定转子结构形式以及电机结构参数对电机性能的影响；第7章分析了永磁同步电机定子不对称故障对电磁参数的影响，提出了基于负序分量和模糊逻辑相结合的定子不对称故障诊断方法，并用实验进行了验证；第8章推导了永磁同步电机任意位置单个磁极和多个磁极发生失磁故障时的空载反电动势数学模型，分析了基于小波包与样本熵相融合的永磁同步电机转子失磁故障诊断理论基础和诊断步骤。
本书由孔汉负责第1、第2章，王延峰负责第3章，伊然负责第5章，张志艳、杨存祥负责第7、第8章，邱洪波负责第4、第6章并完成最终定稿。在撰写过程中还得到了研究生于雯斐、唐冰夏、范晓彬、胡凯强、郭跃东、段强、王瑞阳的协助，没有他们的帮助，本书难以及时完成，因此从某种意义上说他们也是本书的作者。
本项研究工作得到了“国家自然科学基金项目”（项目编号51507156）、“河南省高等学校重点科研项目计划”（项目编号17A470005）、“郑州轻工业学院重点学科建设资助项目”的资助，在此表示衷心的感谢。
在写作过程中参考了大量的文献资料，对引用的资料已尽可能地列在章节后的参考文献中，但其中难免有遗漏，在此特向被漏列参考文献的作者表示歉意，并向所有作者表示诚挚的感谢。
由于作者的学识有限且时间紧迫，书中内容难免有局限、欠缺、疏漏、不当和错误之处，敬请有关专家和各位读者对本书给予批评、指正。第1章绪 论1.1 永磁电机概况及发展方向1.1.1 永磁材料的发展及应用
永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关。中国是世界上最早发现永磁材料磁特性并把它应用于实践的国家。早在2000多年前，中国就已利用永磁材料制成了指南针，指导航海、军事等领域，成为中国古代的四大发明之一。
1.磁性的来源
能吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性，能产生磁性的物质称为磁性物质或磁性材料，磁性主要通过磁场的形式来表现。
众所周知，宇宙中所有的物质，大至星系，小至基本粒子，都具有或强或弱的磁性。从微观角度来说，产生这种磁性的基本原因是由于电子绕原子核的公转和电子绕自身轴线的自转。像电流产生磁场一样，电子绕原子核公转时，在其轨道上形成一环形电流，该电流产生的磁场在铁磁学中称为轨道磁矩，与此对应的电子自旋产生的磁场称为内禀磁矩。因此，原子磁矩就等于原子核外所有电子的轨道磁矩和内禀磁矩之和。物质的任一区域内，若原子磁矩的总量叠加不等于零，则该物质对外呈现磁性。热力学研究表明，任何微观粒子都处于热运动当中，热运动使各原子的磁矩方向不断无规则地变化，从而使得各原子的磁矩相互抵消，如果没有其他因素的影响，整个物体对外不显现磁性，这也是自然界大部分物质没有磁性的原因。
铁磁性材料产生磁性的原因还可以用磁畴来解释。所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩就像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如图1-1所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其他磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。图1-1 铁磁性材料的磁畴结构
人们要想制造出不同要求的磁性材料，往往都是通过寻找合适的材料成分，通过冷加工、热处理、研磨、定向等外部手段，影响其磁畴结构。永磁材料的发展，性能的提高以及各种新型永磁材料的出现，都是在“磁畴”这一内因上做文章的结果。
2.磁性材料的分类
根据磁性能的不同，可将常见的材料分为五类：（1）逆磁性材料。惰性气体、大部分有机化合物、石墨以及一些金属和非金属材料都属于逆磁性材料。该类材料在外加磁场的作用下，获得与外加磁场方向相反的弱磁性，磁化率为χ<0且（2）顺磁性材料。在外加磁场的作用下，顺磁性材料呈现出十分微弱的磁性，且其磁性方向与外加磁场方向相同，磁化率为χ>0，-8-5数值在10～10。典型的顺磁性气体是氧气，常见的顺磁材料有过渡金属的盐类、稀土金属的盐类及氧化物。（3）反铁磁材料。当外加磁场时，各原子磁矩勉强转向外磁场方向，由于他们的磁矩没有完全被抵消，显示出较弱的磁性。磁化率-5-3为χ>0，数值在10～10，如铬、锰等。（4）亚铁磁材料。亚铁磁材料在无外加磁场的情况下，磁畴内由于相邻原子间电子的交换作用或其他相互作用，使它们的磁矩在克服热运动的影响后，处于部分抵消的有序排列状态，以致还有一个合磁矩，显示一定的磁性。当施加外磁场后，其磁化强度随外磁场的变化与铁磁性物质相似，磁化率为χ≫0。电子技术中大量使用的软磁铁氧体就是亚铁磁材料。（5）铁磁性材料。铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被-15磁化到饱和，不但磁化率为χ≫0，而且数值在10～10，其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系，表现为磁滞回线。铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁
1880年左右，人们首先采用碳钢制成了永磁材料，其最大磁能max积(BH)约为1.6kJ/m3。后来将钨、铬、钴等元素添加到钢中，使钢在常温下内部存在各种不均匀性（包括晶体结构的不均匀、内应力的不均匀和磁性强弱的不均匀等）以改善钢的磁性能，制成了钨钢、铬钢、钴钢等多种永磁材料。1900年发现的钨钢，其最大磁能积max(BH)达到2.72kJ/m3。1916年，日本物理学家本多光太郎发现加钴的碳钢具有强磁性，开始性，在居里温度以上，由于受到晶体热运动的干扰，原子磁矩的定向排列被破坏，使得铁磁性消失，转变为顺磁性材料。铁、钴、镍以及它们的合金，某些稀土元素的合金和化合物，铬和锰的一些合金等都具有铁磁性材料特性。
其中，逆磁性材料、顺磁性材料、反铁磁材料都是弱磁性材料，其磁性只能采用精密仪器才能测得，称为非磁性材料。亚铁磁材料和铁磁性材料具有很强的磁性，属于强磁性材料，通常称为铁磁材料。
铁磁材料大体可分为三类：（1）软磁材料。特点是：磁导率高、矫顽力小。在电机、变压器以及其他电磁装置的制造中，常用来作为磁路的重要组成部分，例如，电机定子、转子冲片，以及定子、转子的其他导磁部分。（2）硬磁材料（永磁材料）。特点是：高剩磁、高矫顽力，一经充磁，便可为外部磁路提供稳定的磁场，在电磁装置中可替代励磁绕组，应用非常广泛。永磁电机的永磁体就是采用永磁材料制造的。（3）半硬磁材料。特点是：磁性介于软磁和硬磁之间，具有较高的磁滞回线方形度和矩形比。绝大多数半硬磁材料都具有良好的塑性，可加工成薄板或细丝使用。与永磁材料不同，它是靠外加磁场改变其磁化状态进行工作的，包括磁滞合金、电子开关用合金和信息存储用合金。磁滞合金可用作磁滞电机的转子，常用的有铁钴钒系合金、铁钴钼系合金和铁镍铝铌合金等。
3.永磁材料的发展及应用34
最早被利用的永磁材料是天然的磁铁矿石（FeO），19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机，但由于当时所采用的永磁材料磁铁矿石磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。随着科学技术的进步和人们对永磁材料的深入研究，永磁材料得到了长足的发展，特别是稀土永磁材料的发明，使得永磁材料的应用更加广泛。
永磁材料的发展经历了以下几个阶段：（1）基于碳钢的永磁材料了新型永磁合金的研究。1917年制成的含钴量为36%的Fe-Co永磁合金，其磁能积达到14.4kJ/m3。（2）铝镍钴永磁材料
1931年以来，日本的三岛德七通过在Fe中加入Al、Ni、Co三种元素，经过浇注和热处理得到了铝镍钴系磁钢。最初，铝镍钴磁钢的3max(BH)仅为14.3kJ/m，后来通过对合金成分和工艺进行调整后，3max(BH)跃升到39.8kJ/m。从此，一直到20世纪60年代，铝镍钴磁钢在永磁材料中占据了主导地位。60年代以后，随着铁氧体永磁和稀23其产量越居第1位。在电机中常用的有两种，钡铁氧体（BaO·6FeO）23c和锶铁氧体（SrO·6FeO）。它们的磁性能差不多，锶铁氧体的H值略高于钡铁氧体，更适合于在电机中使用。土永磁的问世，铝镍钴永磁在电机中的应用逐步被取代，所占比例呈下降趋势。
铝镍钴永磁的显著特点是温度系数小，随着温度的改变磁性能变化很小，目前仍被广泛应用于仪器仪表类要求温度稳定性高的永磁电机中。由于铝镍钴永磁材料矫顽力比较低，在使用过程中，应严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆退磁或磁通分布的畸变。另外，为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往设计成长柱体或长棒性。铝镍钴永磁脆而硬，可加工性能比较差，仅能进行少量磨削或电火花加工，因此加工成特殊形状比较困难，一般分为铸造型和粉末烧结型两种。铸造型的磁性能较高，粉末型的工艺简单。在永磁电机中常用的是铸造型。（3）铁氧体永磁材料
1938年，日本的Kato和Takei用粉末氧化物制成永磁材料，标志23着铁氧体永磁的诞生。铁氧体永磁材料是由FeO和锶（钡等）的化合物按一定比例混合，经烧结、破碎、制粉、压制成型、烧结和磨加工而成。这类永磁体的矫顽力一般只有0.5T，剩磁在0.4T左右，磁能3积较低（25～36kJ/m）。但其原材料便宜，制造工艺简单，价格低廉，不含稀土元素，钴、镍等贵金属，因此在20世纪70年代得到了迅速的发展，
铁氧体的退磁曲线接近于直线，或者说退磁曲线的很大一部分接近于直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需要像铝镍钴永磁那样进行稳磁处理，因而在电机中应用最为广泛，是目前电机中用量最大的永磁材料。铁氧体永磁材料脆而硬，不能进行电加工，仅能切片和进行少量磨加工。（4）稀土永磁材料
20世纪60年代，稀土永磁材料开始发展起来。稀土永磁材料是以稀土族元素与过渡族金属元素所形成的金属间化合物为基体的一类高性能永磁材料，其特点是：高剩磁、高矫顽力、高磁能积。稀土永5217磁材料的发展经历了三代：第一代SmCo稀土永磁、第二代SmCo稀土永磁和第三代NdFeB稀土永磁。5
1967年，美国学者K.J.Strant等人研制出的SmCo粉末粘结永磁3材料，其磁能积达到40kJ/m，成为第一代稀土永磁材料诞生的里程35碑。1968年采用普通制粉法制造的SmCo磁能积达到了64kJ/m，同35年采用静压工艺，制造出的了磁能积为140kJ/m的SmCo永磁体。551970年首次采用液相烧结法制造SmCo永磁体，从而使SmCo的制5造工艺逐步走向完善与成熟。目前，SmCo永磁体的最大磁能积达到35了119～191kJ/m，矫顽力高达1200～3200kA/m。SmCo永磁体的居里温度为710℃～880℃，可在-50℃～150℃温度范围内工作。其退磁曲线基本上是一条直线，回复线基本上与退磁曲线重合，抗去磁能力比较强，磁稳定性较好，是一种较为理想的永磁体。它的缺点是含有较多的战略金属钴和储藏量较少的稀土金属Sm，原材料价格昂贵，其发展前景受到资源和价格的限制。
1977年，日本的T.Ojima等人利用粉末冶金法研制出磁能积为3217240 kJ/m的SmCo永磁材料，标志着第二代稀土永磁材料的诞生。7.2目前，Sm（Co、Cu、Fe、Zr）永磁体的最高磁能积已达到264kJ/3m。基于其独特的高温磁性能和优良的磁稳定性（优异的抗氧化性217和抗腐蚀性），SmCo烧结永磁体仍是不可替代的一种永磁材料，被广泛应用于国防军工、航空航天、微波器件、传感器、磁力泵、高端电机等行业。
1982年，日本住友特种金属材料和美国通用汽车公司用粉末冶金法研制出的NdFeB永磁材料，并于1983年实现了工业化批量生产，标志着第三代稀土永磁材料的诞生。主要成分由稀土元素，钕（Nd）、铁（Fe）和硼（B）构成，其中稀土元素约占25%～35%，214铁元素约占65%～75%，硼元素约占1%，其分子式为NdFeB，其中会根据实际要求改变配比以及添加其他元素来提高其性能。NdFeB是目前世界上磁能积最高的永磁材料，被誉为“现代永磁之王”，这也意味着产生相同的磁通量，钕铁硼永磁材料的体积最小。目前商业3化的NdFeB永磁体磁能积约为223～414kJ/m，且价格比稀土钴永磁材料便宜得多，问世以来，在工业和民用的永磁电机中迅速得到了推广应用。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，温度系数较高，因而在高温下使用时磁损失较大。另外，由于含有大量的铁和钕元素，容易锈蚀也是其一大弱点，所以要对其表面进行涂层处理。1.1.2 永磁电机的发展状况
1.永磁电机的发展历史
1821年9月，法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转，第一次成功实现了电能向机械能的转换，从而建立了电机的实验室模型。1822年，法国的吕萨科发明了电磁铁，即用电流绕在铁心上的线圈的方法产生磁场。1831年，法拉第利用电磁感应原理发明了世界上第一台真正意义的电机——法拉第圆盘电机，同年亨利对法拉第的电动机模型进行了改进。1832年，斯特金发明了换向器，并对亨利的振荡电机进行了改进，制作了世界上第一台能产生连续运动的电动机。随后，各种电机不断问世。这些电机都是采用永久磁铁建立磁场，但由于当时永久磁铁均由天然铁矿石做成，磁性能很低，造成电机体积庞大、性能较差。1845年，英国的惠斯通用电磁铁代替永久磁铁，取得了专利权，并于1857年发明了自励电励磁发电机，开创了电励磁方式的新纪元。随后的70多年内，电励磁电机理论和技术得到了迅猛发展，而永磁励磁方式在电机中应用则较少。
随着永磁材料的发展，特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁和50年代出现的铁氧体永磁，磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。相应地，这时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性的进展。但铝镍钴永磁的矫顽力偏低，铁氧体永磁的剩磁密度不高，限制了永磁电机的应用范围。一直到20世纪60年代和80年代，稀土永磁的问世使得永磁电机的发展进入了一个新的历史时期。
稀土永磁电机的研究和开发可分为以下三个阶段：（1）20世纪60年代后期和70年代，由于稀土钴永磁材料比较昂贵，所以主要应用在航空、航天领域和要求高性能而不考虑价格因素的高科技领域。（2）20世纪80年代后，特别是价格低廉的钕铁硼永磁材料的研制成功，国内外的研究开发重点转到了工业和民用电机上。稀土永磁电机的优异性能，加上电力电子器件和电机控制技术的发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机难以达到的高性能。（3）20世纪90年代以来，随着永磁材料性能的不断完善和提高，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低，加上永磁电机研究开发经验和电机设计理论以及设计软件的初步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面越来越广泛的应用外，稀土永磁电机的发展进入了一个新的阶段。
2.永磁电机的分类及特点
磁场是电机实现机电能量转换的基础。根据电机建立磁场方式的不同，可分为电励磁电机和永磁电机。与传统的电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构紧凑、体积小、重量轻；结构简单、运行可靠；损耗小、效率高；尺寸和形状灵活多样等显著特点。永磁电机通常分为五类：永磁直流电动机、永磁无刷直流电动机、永磁同步电动机、永磁同步发电机和永磁特种电机。（1）永磁直流电动机
永磁直流电机与普通的直流电机不同在于前者采用永磁体代替了励磁绕组和磁极铁心，既保留了电励磁直流电机良好的调速性能和机械特性，还省去了励磁绕组和励磁损耗，具有结构简单、可靠性高、体积小、用铜量少、效率高等特点。大多数的永磁直流电机都是小型或者微型电动机，用在家用电器、便携式电子设备、电动工具、汽车工业等，要求有良好动态性能的精密速度和位置传动系统应用广泛。汽车工业是永磁直流电机的最大用户，每台高档轿车上有几十台电机，除发电机外，基本上都是低压永磁直流电机。（2）永磁无刷直流电动机
永磁无刷直流电机用电子换向装置替代直流电机的机械换向器，解决了直流电机换向存在的一些问题，同时保留了直流电机的一些优良特性，又称为无换向器电机、无整流子直流电机。它既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，又具有启动力矩大、功率密度高等优点。
随着电力电子技术、微电子技术、微机和稀土永磁材料的发展，无刷直流电机近20多年得以推广应用。目前，无刷直流电机的发展已经与大功率开关器件、专用集成电路、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，体现着当今应用科学的许多最新成果，因而显示出广泛的应用前景和强大的生命力。永磁无刷电机适合于对性能、体积重量要求比较高的场合，如航空航天、电动汽车、精密电子仪器与设备、工业自动化和现代家用电器等领域。（3）永磁同步电动机
永磁同步电动机又称为正弦波电流驱动永磁无刷电动机。相对于方波驱动的永磁无刷直流电机而言，永磁同步电动机避免了电流换向时产生的较大转矩脉动，速度平滑，噪声小，具有非常理想的伺服驱动性能。永磁同步电机的发展得益于高性能稀土永磁材料的发展、矢量控制理论的提出、高性能的功率电子器件的出现等。
变频器供电的永磁同步电机和转子位置闭环控制系统构成自同步永磁同步电动机，在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空航天、加工中心、机器人、电动汽车等方面都获得了广泛的应用。
本书的后续章节中主要以永磁同步电机为例，对永磁电机的相关热点问题进行分析研究。（4）永磁同步发电机
相对于电励磁同步发电机来说，永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，取消了集电环和电刷实现了无刷化、转速高、体积小、结构简单、运行可靠、减少了励磁损耗。目前，航天用高速永磁同步发电机的功率质量比可高达20kW/kg，这特别适合于航空、航天和其他要求高可靠性和高功率质量比的场合。因而现代航空、航天用发电机基本上全部采用稀土钴永磁同步发电机。
稀土永磁同步发电机的另一个重要应用是作为大型汽轮机的副励磁机。我国在20世纪80年代研制成功的40～160kVA稀土永磁发电机，用以配备200～600MW汽轮发电机后大大提高了电站运行的可靠性。此外，在分布式发电方面，例如风力发电、余热发电、小型内燃机发电等场合，高速永磁同步发电机正在逐步被推广应用。然而，永磁同步发电机的磁场难以调节，从而其输出电压和功率因数不好控制，限制了它的应用范围。近些年来，新型的复合励磁结构的稀土永磁同步发电机被广大学者研究，并在小范围内得到了推广和应用。（5）永磁特种电机
由于稀土永磁材料具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特点，可以容许制成的电机具有较大的气隙长度和气隙磁密。因此，在设计电机时永磁体的安放和磁路结构的设计具有很大的灵活性，可以根据适用场合的不同，制成与传统电机不同的尺寸和形状。这些和传统电机不同的新型电机，我们统称为永磁特种电机。以高性能的永磁体励磁逐步取代电励磁是传统控制电机和特种电机的发展趋势之一。
例如新型的盘式电机、无槽电机、无铁心电机等既可以进一步减少电机的质量和转动惯量，提高电机的灵敏度；又可以较少电机的脉动转矩，增加系统运行的平稳性；还可以简化电机的结构和工艺，因而在一些特殊场合得到了广泛的应用。近些年来，很多学者在永磁特种电机方面的设计和研究中取得了很多成果，例如横向磁通永磁电机、Halbach磁体结构永磁电机、记忆电动机、双凸极永磁电机、振荡启动单相永磁同步电动机、写极电动机等。1.1.3 永磁电机的发展方向
1.向高性能方向发展
中国将来发展是由制造向创造、向智造方向发展，其核心是需要装备制造业的提升，因此对电机产品提出了更高的性能要求，如机器人用低速大转矩永磁电机、数控机床用的高性能永磁直线电机和力矩电机、自动化装备用永磁伺服电机及其驱动控制系统等。
2.向专用电机方向发展
随着驱动控制技术的发展，将根据不同负载特性而专门设计相匹配的电机，使得采用传统通用电机驱动各类负载将逐渐被专用电机及其驱动系统所取代，如注塑机专用稀土永磁伺服电机，节电率高达15%以上。目前中国专用电机只有20%，而国外高达80%，因此中国应该重点发展高性能、高可靠、价格合理的专用永磁电机。
3.向轻型化方向发展
轻量化设计一直是航空航天、机器人、电动车辆、便携式产品追求的目标。而永磁电机的特点决定其在这些领域更易胜任。目前日本、德国和法国等都有这样的产品，最大容量可达100kW，重量仅有28kg，轻量化程度很高。
4.向机电一体化方向发展
为了节省空间、提高电机系统乃至整个传动系统，机电一体化是一个重要发展方向。而实现机电一体化的基础是发展需用的各种高性能稀土永磁电机，如数控机床用伺服电机，计算机用音圈电机。变频调速稀土永磁同步电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。
5.向高速化发展
微型燃气轮机、压缩机、飞轮储能、航空航天、电动飞机等领域要求电机体积小，功率密度大，而永磁电机的特点正好满足此要求，通过解决永磁电机的散热问题、转子动力学问题将使得高速永磁电机在这些领域广泛应用。目前通过冷却措施功率密度可达到3.5kW/kg，效率高达98%。
6.向大功率化发展
随着大功率电力电子器件的发展及稀土永磁材料高矫顽力3（1000kA/m以上）和高磁能积（400kJ/m以上），使得永磁电机不但不易退磁，而且易于大功率化。目前DRS Technologies已经开发出转速为127v/min，功率为36.5MW的低速大功率永磁电机。1.2 永磁电机设计方法及研究现状1.2.1 永磁电机的设计方法
永磁电机与电励磁电机最大的不同在于它的励磁磁场是由永磁体提供的，永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与厂家的制造工艺有关，还与永磁体的材料、形状和尺寸以及充磁机的容量和充磁方法有关，性能数据的分散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其他部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。此外，永磁电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分复杂而且漏磁通所占的比例较大，铁磁材料部分饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁电机电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁电机。
目前，永磁电机常用的设计方法有磁路法、有限元法和场路结合法，下面分别阐述它们的设计原理和特点。
1.磁路法
磁路法就是“磁化路”的方法，也是永磁电机最传统的设计方法，它将电机中分布不均匀的交变磁场等效成相应的磁路结构，从而将磁场的计算转换为磁路计算，且每段磁路材料相同，截面积相等，磁通沿长度方向和截面分布均匀，然后用各种系数来进行修正，使各段磁路的磁位差等于磁场中对应点之间的磁位差，这样可以减少计算所需要的时间。
磁路法很简单，可以使用计算机进行辅助设计，但是等效磁路计算中采用过多的修正系数且无法通过理论计算出其精确值，这些系数一般使用经验数据，如果初步设计出来的方案不能满足设计需求，设计者必须重新选定修正值再次进行计算。早期永磁电机的设计，由于当时永磁材料的退磁曲线是曲线不是直线，磁路的解析计算比较困难，人们发明了以永磁体工作图图解法为主的磁路计算方法。随着稀土永磁材料的出现，其退磁曲线为直线或部分为直线，回复线与其直线段重合，另外由于计算机技术的发展和普及，初步发展和形成了适用于计算机求解的以等效磁路法解析求解的永磁电机设计方法。
2.有限元法
在永磁电机的分析与设计中，为了提高计算的准确程度，需要对电磁场进行数值计算和分析，定量分析永磁电机中特殊的电磁过程和细节问题，比如永磁磁极形状与尺寸、永磁体局部退磁问题等。电磁场数值计算和仿真分析节省了产品开发成本，为设计和优化提供了可靠的依据。特别是计算机性能的不断提高，大大促进了基于电磁场数值计算理论的各种分析方法的发展，例如有限元法、边界元法和有限差分法，其中运用最广泛的是有限元法。
电机有限元分析法是将电机内部连续场分割成有限个子单元，作为原区域的等效域，从而把求解连续的场变量问题等效为求解有限个单元节点上的场变量值，实质上，原来复杂的基本方程被等价成了一个代数方程组，求解代数方程组可得到近似的数值解。有限元法主要优点是根据该方法编制的分析软件对于各种电磁计算问题具有较强的适用性。对电机电磁场分析来说，它可以对电机进行灵活的几何剖分，非常适用于解决永磁电机这类几何形状复杂的问题；能较好地处理非线性介质问题，如铁磁饱和现象、永磁材料的磁特性为各向异性等。
3.场路结合法
在对永磁电机的电磁分析与计算中，选择一种准确高效的方法十分重要。传统的磁路法计算速度快，但是精度不高；使用有限元法比较准确但是对计算机资源要求高，计算时间长。为此，将传统磁路法和有限元法相结合，应用到永磁电机的电磁设计中，不仅满足了计算精度的要求，还能提高效率，对电机设计具有很大的实用价值。
场路结合法的基本思路是参考磁路计算的结果，建立初步的几何模型，然后通过有限元软件进行电磁场分析，用电磁场有限元软件准确地计算出等效磁路法中需要修正的系数，例如空载漏磁系数、气隙系数和计算极弧系数等，将这些参数重新引入到等效磁路法中，完善设计方案。对于一些特殊的电磁过程和细节问题，用等效磁路法不能解决，可以采用电磁场有限元法进行分析，从而达到准确计算的目的。1.2.2 永磁电机设计的研究现状
目前，永磁电机设计常用到的方法有：解析设计法、磁网络法、基于磁路法的RMxprt、解析计算与有限元结合等。其中，解析计算与有限元结合方法多用于某种特定场合、带有某种特殊结构或采用新特性材料制成铁心等电机部件的电机设计，有新型结构的电机也有传统的永磁无刷、同步电机等，均以磁路法首先计算电机尺寸等参数，磁路法依赖于电机模型的建立和分析，建立等效磁路来推导计算公式，或以试探法找出期望达到的目标参数，然后以软件辅助修正达到设计目的。
对电机的性能分析通常包括磁力线分布、磁密分布、动态特性分析，也有专题研究包括相反电动势中的齿谐波的抑制、齿槽转矩及转矩脉动的抑制、气隙波形正弦化、饱和瞬时电感、永磁电机的最大不失磁电流、最大转矩、最大加速能力和最大气隙剪切力等。对电机性能的分析方法还是集中在对电机进行建模，用解析法、磁路法进行公式构造，结果与有限元法或有限元软件相对比验证。
电机的优化是在设计的基础上，希望电机在某方面达到更理想的状态。每种特定的电机所期望的最佳性能是不一样的，如尽可能小的转矩脉动、尽可能平稳地运行、齿槽转矩最小、尽可能小的电机尺寸等。优化设计的方法有：以分析为前提的试探法，建立模型公式分析影响较大的参数，认为在某个范围内进行参数调整计算；以有限元软件为辅助的方法，分析影响较大的参数在有限元软件中进行参数分析或对所有可能影响的参数均进行分析，寻找最优解；借助遗传算法、粒子群算法等优化算法进行编程优化。优化算法是现在的研究热门，较多的优化算法选择、结合、改进都可能是一种更好的优化。1.3 永磁电机电磁场的计算方法及研究进展1.3.1 电机电磁场计算分析方法
常规电机的设计通常采用磁路法，引入一些修正系数，如气隙系数等，将电机中复杂的磁场问题进行简化和近似，转化为一些集中参数，如电抗、磁动势、磁通等，再利用等效磁路计算电机的性能。该方法简单、方便、高效且基本满足工程设计的精度问题。然而，永磁电机的磁路结构多种多样，而且新结构、新原理的电机不断出现，使得磁场分布复杂，给磁路计算带来了较大的困难，难以得到准确的磁路计算结果。为了提高计算的准确度，需要直接进行电磁场数值计算和分析。而且，永磁电机中一些特殊的电磁过程和一些专门的问题如永磁电机磁极结构形状与尺寸的优化、永磁体的局部失磁问题和永磁同步电机的启动过程等，也需要运用电磁场数值计算才能进行定量分析。
电磁场数值计算实际就是求解Maxwell方程组，而Maxwell方程组有两种形式：微分形式和积分形式，所以电磁场的主要数值计算方法也有两种：基于空间离散化的微分方程法和基于散射体表面或内部离散化的积分方程法。其中常用的有限元法、有限差分法就属于微分方程法，积分方程法则包括直接积分法、等效元法和边界元法等。在电机电磁性能精确计算与分析方面，电磁场数值计算方法优势非常明显，越来越受到众多专家学者的青睐，而其中电磁场有限元分析法最为常用，本书后续章节的计算分析将采用有限元法进行研究。
电机有限元分析法是将电机内部连续场分割成有限个子单元，作为原区域的等效域，从而把求解连续的场变量问题等效为求解有限个单元节点上的场变量值，实质上，原来复杂的基本方程被等价成了一个代数方程组，求解代数方程组可得到近似的数值解。有限元法主要优点是根据该方法编制的分析软件对于各种电磁计算问题具有较强的适用性。对电机电磁场分析来说，它可以对电机进行灵活的几何剖分，非常适用于解决永磁电机这类几何形状复杂的问题；能较好地处理非线性介质问题，如铁磁饱和现象、永磁材料的磁特性为各向异性等；它所形成的代数方程具有系数矩阵对称、正定、稀疏等特点，所以求解容易，收敛性好，占用计算机内存量也较少。这些正是有限元法能成为电气设备计算机辅助设计核心模块的优势所在。工程设计和科学研究对电磁计算精确度要求的不断提高，促进了有限元法的发展及其在电气工程方面的广泛应用。而计算机资源的不断开发又为有限元法电磁计算的发展创造了必不可少的条件。1.3.2 永磁电机电磁场计算分析研究进展
1994年，Kurihara K等学者首次提出场路耦合时步有限元法，对永磁电机的稳态运行性能进行了分析，并指出空间谐波磁场的存在将引起电流时间谐波和转矩脉动问题，该方法开辟了有限元在永磁同步电机研究的新领域。同年，Zhou P等人发表了基于有限元计算和分析永磁电机参数和性能的论文，提出了基于负载电磁场法计算交直轴电枢反应电抗，使得计算出的电机参数能真实地反应负载时永磁材料的饱和程度。
2000年，Gyu-Hong Kang等学者在IEEE上发表文章，提出了基于有限元分析建立改良的内埋式永磁同步电机参数模型，由于内埋式永磁同步电机在不同的负载运行下变频器系统电流相位角不同，从而导致电机参数具有非线性。通过有限元分析，建立电感变量评估器丰富矢量控制算法。
2003年，Jabbar M A等学者发表论文用场路耦合和时步有限元法对永磁同步电机动态性能进行了研究，并将研究成果成功的应用到永磁同步电机自启动动态仿真和V/F控制当中。
2008年，Ebrahimi B M教授提出用时步有限元方法对永磁同步电机静态偏心故障进行诊断，考虑包括电机的几何尺寸、各个部分的物理材料属性、气隙磁导的不均性和永磁材料的不均性建立静态偏心故障永磁同步电机模型，为电机故障诊断提供精确信号。
国内学者在永磁电机研究方面也开展了大量的工作，发表了大量的学术论文，并有一些专著面世，同时研制了多种型号的新型永磁电机。沈阳工业大学的唐任远院士在永磁电机的原理、结构、设计等方面做了大量的开拓性工作，对永磁电机电磁性能分析方法进行了总结统筹，唐任远院士的专著《现代永磁电机理论与设计》已成为国内永磁电机研究的代表性成果。西北工业大学的李钟明、刘卫国、刘景林、窦满峰等教授编著的《稀土永磁电机》全面阐述了各类永磁电机的电磁性能和计算分析方法，并给出了相应的磁路计算公式以及设计实例。此外，山东大学王秀和教授等人编著了《永磁电机》，书中讲述了各类永磁电机的磁路分析方法和磁场计算以及特殊结构的永磁电机，并涉及永磁电机的很多最新发展和应用成果。1.4 永磁电机温度场的计算方法及研究进展1.4.1 电机温度场计算分析方法
电机的温度场计算是电机设计和应用当中必须要考虑的一项重要环节，特别对于永磁电机来讲，由于永磁体性能的好坏某种程度上决定着电机的性能指标，如出力、效率和过载能力等。而永磁体受温度影响非常大，电机内温升过高，将会导致永磁体不可逆退磁，在影响电机性能的同时有可能使电机失去工作能力。同时，过高的温升将会使绕组间绝缘损坏致使匝间短路故障等。因此，准确的分析永磁电机内部各部分的温度场十分必要，特别是当电机故障发生时，对电机内部的温升分析与预估可以作为电机故障诊断的有效评判依据。
电机传热问题比较复杂，在工程实践中使用的传统方法为等效热路法，但准确性较差，只能估算绕组和铁心的平均温度，无法全面了解电机内温度的分布情况以及过热点的位置和数值。现代数值计算方法及计算机的应用为电机内温度场的研究提供了有利的研究工具，目前比较常用的方法为简化公式法、等效热网络法、温度场法、参数辨识法和基于运行状态参量的电机温度模型法。
1.简化公式法
20世纪70年代以前，电机的热计算主要采用简化公式法，对电机的工作温升进行简单的估算。简化公式法基本依据是牛顿散热公式，假定电机内部产生的所有热量通过电机机壳表面散出，且槽内绕组和绕组端部部分没有热交换。温升基本计算公式为：ΔT=Q/α，其中，32Q(W/m)为电机内各个部分发热部件的热负载，α(W/(mm·℃))为电机表面散热系数，ΔT为电机的温升。该方法最大的优点是计算简单、工作量小和易于掌握，适合于电机制造厂的温升估算。缺点是计算精度不够，只能估算电机的整体平均温升，已不能满足目前日益提高的电机设计要求。但在一些定性的粗略分析中，该方法也被电机设计者经常使用。
2.等效热网络法
等效热网络法也称为热路法，和等效电路法相似。傅里叶热传导定律描述了热流、热阻和温升的相互关系，参考电路理论当中的电压、电阻和电流之间关系的相似性，可计算电机内部各部分的温升。把电机中绕组的铜耗部分、铁耗部分等发热体等效为热路中的热源，热量由热源部分通过冷却介质散发和传递，传递路径形成一个复杂的热网络，热量传递受到的阻力等效为热阻。这样，电机内部就可等效成由节点、节点上的温度和损耗，各节点之间的热阻构成的热网络图。根据电路网络当中基尔霍夫定律相似的原则列出全部的热平衡方程，求解热平衡方程组可得到各部分的有效温升。该方法将电机内复杂的热传递问题，通过等效简化归为求热平衡方程组的问题。如果想提高计算的精度，只需要增加热网络的节点和热阻的数量。但过多的节点数会增加计算的工作量，不过随着计算机运算速度的提高和热网络法计算电机温升商用软件的出现，该方法也越来越受到工程实践人员的青睐。
等效热网络法的优点在于计算出节点损耗和支路热导以后，可以根据电路理论直接写出以温升为变量的线性方程组，即可求出节点温度。采用此法对计算机的硬件资源要求不是很高，也容易为工程技术人员掌握，但是网络参数的设置与计算的合理和准确度直接影响整体的计算精度，需要有丰富的经验将热路的设置考虑的足够精致才能满足工程的要求。
3.温度场法
场的计算方法是由阿罗尔德率先提出来的，后又经李克杰尔和波姆进一步研究过。1974年，鲍里先科等人合作出版了《电机中的空气动力学和热传递》，给出了用电子计算机求解温度场的一些方法和实例。温度场法就是根据热交换定律，建立电机内的导热微分方程，并通过电机内的边界条件决定的边值问题建立联系，通过数值方法进行求解，从而得到电机内各个部分的温度。温度场分析的数值计算方法很多，目前应用最多的是有限元法。有限元的具体做法是将电机内的求解域离散成很多小的单元，然后对每个单元建立方程，结合边界条件对总体方程组求解。该方法将研究对象从宏观转换为微观，从总体转化为局部单元，可以得到电机内每一点的温度，从而可以知道电机各部分的最高温升以及出现的位置，便于设计者更准确、合理地进行电机设计。另外，有限元方法的特点是剖分灵活，可对电机内部采用任意形状分割区域，还可以根据场函数的需要自如地布置网络节点，尤其是对永磁电机来说，内部材料多样、边界条件复杂、场梯度变化较大，有限元方法尤其适用。特别是，近年来随着计算机计算水平的突飞猛进和一些成熟的有限元商业软件的出现，为有限元方法在电机温度场分析奠定了基础。
4.参数辨识法
参数辨识法主要应用于电机定转子绕组温度的计算与监测。首先，采用参数辨识技术辨识出电机正常稳态运行时定转子绕组的电阻，其次，根据金属电阻与金属温度在大范围内严格线性的原理，间接计算出定、转子绕组的温度。其关键在于寻找定转子绕组电阻的辨识算法。参数辨识方法可以应用于各种电机的定转子绕组温度监测。参数辨识法简洁实用，可集成与电机现有的状态监测和故障诊断系统。但是它只能给出电机稳态运行时定转子绕组的稳态平均温度。
5.基于运行状态参量的电机温度模型法
对于运行于不同工况下的电机，电机铁心和绕组的温度是不同的，电机铁心和绕组的温度与电机的输出功率、电子电压、定子电流、冷却介质参数（压力、流量）等密切相关。因此，可以建立电机温度与运行状态参量之间的关系模型，从而确定电机在不同运行工况下的温度值。在建立温度模型的过程中，首先找出热源（电机铁心和绕组的损耗）与电机运行状态参量之间的关系，其次根据热交换的基本定律建立电机某一部位的温度模型，并引入相关的待定系数，再采用数学方法确定这些系数。
上述计算方法既有区别，又存在着必然联系。简化公式法、等效热网络法所遵循的原理基本上是一样的，只是对实际电机传热所进行的简化程度不同，因而计算区域以及精度也不同。简化公式法只能估算整体铁心或绕组的平均温升，由于方法简单，简化公式法手算即能完成。等效热网络法可以计算整个电机或电机某一部件的温度分布，更全面地考虑了影响电机发热、传热以及散热的因素。因此，计算精度较简化方法有较大提高，并且可以较详细地计算出电机的温度分布以及局部过热点的位置，但需要借助计算机才能完成。数值计算方法尽管计算精度较高，能够详细计算出电机的温度分布，但数值方法尤其是有限元法本身较复杂，对计算机的依赖程度较高，所以更适于电机的设计制造。参数辨识方法要求参数辨识技术本身具有较强的抗干扰能力，采用参数辨识方法只能计算绕组的稳态平均温度。基于运行状态参量的方法关键在于建立电机温度与电机运行参数之间的解析关系式，然后利用电机正常运行时的大量数据辨识温度模型中的未知系数。显然，这种方法要求电机的温度能够用运行参数的解析式表示，并且电机必须有数据采集系统采集所需要的数据，所计算的温度一般为电机某一部位的值。1.4.2 永磁电机温度场计算分析研究进展
英国布里斯托大学的Mellor P H教授等学者提出的热网络计算模型是电机温升计算的经典方法，该方法将电机看作由一系列的同心圆柱体组成，在每个同心圆柱体内将具有热力学属性相同的部分划分成一个相同的子模块。该模型同时考虑了轴向和径向的热流，因而通过复杂的计算，可以精确的得到电机内各部分的温度，甚至绕组端部的峰值温度以及转子的表面温度，缺点是计算模型复杂。意大利都灵理工大学的Boglietti A教授等人在上述模型的基础上提出了一种简化的热网络计算方法，该方法用简化的方程有效地计算空心圆柱体的热传导阻力，计算量大大降低。2006年，西北工业大学的窦满峰教授用热网络法建立了高密度异步电机定子温升模型，采用高斯-赛德尔迭代法进行了求解。2010年，新疆金风科技公司的刘万平等人采用热路法对一台3MW大功率永磁电机温度场进行了数值计算并和实验进行了对比，对比误差在5%以内。2011年，河北工业大学的李洪涛等人用热网络法建立了异步电机过载保护模型，该模型采用五阶热网络分布模型，并利用零点对消法进行了降阶简化，从而得到了反应电机温升的主要特性。2012年，北京航空航天大学的杜国华等人采用集中参数法建立了高速永磁无刷直流电机的热网络数学模型，推导出了电机损耗、热导和温升之间的解析方程。2013年，沈阳工业大学的姚望运用热网络法对两台牵引用永磁同步电机进行了温度场建模，并编制了相应的热网络计算程序。同年，浙江大学的黄晓艳等人基于热网络法对航空用直流无刷电机散热进行了温度场建模，并对不同工况下电机的温升进行了分析。
国外学者对有限元在电机温度场的应用研究较早。1976年，Armor A F等学者首先将标量位的有限元法应用于大型汽轮发电机定子铁心的三维温度场计算，为有限元法在电机温度场数值计算分析的应用做出了开创性的工作。1980年，Armor A F采用新的Arch网格进行剖分，再次将有限元法应用到汽轮发电机转子的三维温度场的计算，并分析了由于热不对称导致的转子不平衡问题。在永磁电机温度场分析方面，2004年，Chin Y K等人用有限元法和集总参数热路法对永磁同步牵引电机进行了瞬态温度场分析，尤其是电机在弱磁运行范围时的温度场分布，并对两种方法进行了对比。2014年，Chaieb M等人用有限元方法建立了永磁同步电机温度场模型，计算和分析了永磁同步电机横截面的温度分布属性，为电机设计和温度极端情况下研究永磁体不可逆退磁以及绝缘失效提供了帮助。2015年，Bin Zhang等人用有限元法对电动车用永磁同步电机磁场和温度场进行了研究，并分析了带有斜槽定子铁心的永磁同步电机损耗对温度场的影响。
国内方面，1989年，西北工业大学的谢军首次把有限元应用到稀土永磁同步电机三维温度场计算当中，开辟了有限元在永磁电机温度场应用的新领域。2006年，付敏等人应用三维有限元对自启动的永磁同步电机温度场进行了计算，得到了永磁体平均温度与套筒厚度之间的关系曲线。哈尔滨理工大学的李伟力教授在永磁电机温度场理论计算方面做了深入的研究工作，针对永磁电机内电磁场—流体场—温度场耦合计算开展了大量的理论和实验研究，取得的成果为电机发热和冷却研究奠定了重要理论基础。该校的丁树业教授应用有限体积元法对永磁同步电机温度场进行了建模，分析了永磁同步电机内部的传热特性。2013年，唐任远院士在文献中采用三维有限元法对永磁发电机的温度场进行了计算，并分析在计算中某些关键因素对温度场计算结果的影响。2014年，西北工业大学的刘卫国教授对高空电推进系统用永磁无刷直流电机温度场进行了分析，并对比了地面环境和高空环境电机温度场的变化，对高空环境下电机的温升分析和散热设计具有一定参考价值。1.5 永磁电机故障国内外研究现状1.5.1 永磁电机故障类别
永磁电机故障主要分为三类：电气故障、励磁故障和机械故障，如图1-2所示。电气故障主要涉及电机和驱动器之间的开路故障、绕组匝间短路故障、绕组对地故障和绕组相间短路故障等。励磁故障主要指转子上的永磁体由于各种原因致使的不可逆退磁故障，进而导致的电机性能的下降，甚至电机彻底失去工作能力。机械故障主要是轴承故障和偏心故障。图1-2 永磁电机故障分类（1）定子绕组匝间短路故障
定子绕组故障主要是由绝缘失效引起的线圈匝与匝之间、线圈与线圈之间、相与相之间和相与地之间的短路故障组成。虽然永磁电机故障类型比例没有一个准确的统计数字，但根据统计，感应电机35%～40%的故障都来自定子绕组绝缘引起的故障。通常认为，前述与定子绕组相关的大部分故障最初都是由一个线圈的几匝绝缘失效引起的，这种故障称为“绕组匝间短路故障”。该故障经常出现在进入定子槽的末端绕组区域，主要因为此部分的绕组匝在电磁力以及内部和外部的振动力作用下，经常会和定子槽进行摩擦，线圈绝缘层容易受到破坏。绕组匝间短路故障的早诊断和早发现可避免相间短路以及相与地短路的发生，从而保证永磁电机的可靠运行。（2）永磁体失磁故障
永磁体失磁故障是永磁电机特有的故障类型。虽然相对于传统电励磁电机、永磁电机具有非常明显的优点，但是永磁体失磁是永磁电机安全运行最大的风险因素。失磁现象主要是由于电枢反应引起的，尤其是电机在需要比较大的力矩时。在永磁电机正常运行时，定子绕组的电流将产生一个和永磁体励磁方向相反的一个磁场，这个磁场不停地作用，将促使永磁体退磁。正常运行时，电机工作在退磁曲线的某一工作点上，但如果定子绕组电流非常大，有可能造成永磁体的不可逆退磁，严重时电机可能报废。另外，永磁材料对温度非常敏感，过高的温度往往会导致永磁体的不可逆退磁。因此，工作温度往往决定永磁材料运行性能的好坏。此外，当永磁电机永磁体出现失磁时，将会直接引起电机发热严重、过载能力降低，甚至电机运行特性变差。（3）转子偏心故障
转子偏心是电机尤其是牵引电机的常见故障之一。转子偏心将使电机的气隙分布不均匀，从而产生非平衡气隙电磁拉力，这种拉力进一步引起定、转子的振动，最终促使轴承故障和机械故障。转子偏心故障还会引起转子温度分布不均匀，严重时致使转子发生热弯曲，导致转子偏心更加严重，运行时间长后，甚至导致定子和转子之间产生摩擦而使电机损坏。转子偏心包括静态偏心、动态偏心及混合偏心三种形式。其中，静态偏心是由定子铁心内径的椭圆度或装配工艺误差造成的，和转子本身无关；动态偏心是由转子轴弯曲、轴径椭圆或轴承磨损造成的，在空间上其偏心位置是动态变化的，与转子位置和旋转频率有关；混合偏心是静态偏心和动态偏心的综合，情况比较复杂。1.5.2永磁电机国内外研究现状
1.永磁电机故障国外研究现状
近些年来，由于永磁同步电机的诸多优点被很多行业广泛应用。但是，在一些安全性要求比较苛刻的应用当中，由于永磁电机的励磁不容易被调节、永磁体容易失磁等原因，为了保证电机的可靠运行，在设计传动系统时，需要在电机本体、驱动器以及控制策略三个方面考虑很多因素。因此，在这些领域，对永磁同步电机的故障检测非常必要，越来越多的学者开始关注这方面的研究。
韩国电子部品研究院对永磁同步电机定子绕组匝间短路故障开展了大量的研究工作，如图1-3所示。他们基于正序和负序同步坐标系建立了永磁同步电机绕组匝间短路的动态模型，提出了故障检测的具体方法，并且通过有限元计算和电路解析方法验证了该动态模型的正确性。另外，将电机磁通、电流和电压通过陷波滤波器分离成正序和负序分量，应用双电流控制器，消除负序分量，搭建了永磁电动机匝间短路模型，对电机性能进行了有限元计算，结合实验结果验证了模型的正确性，该检测方法最大的优点是不需要添加任何硬件。图1-3 匝间短路故障的电机线圈
法国洛林大学的Nicolas Leboeuf博士和里昂第一大学的Guy Clerc教授等人对永磁同步电机匝间短路故障也进行一些开创性的研究，并对一些成果发表。他们针对定子绕组匝间短路发生时，用有限元计算和磁导网络（PNs）方法，分析附加的电机气隙磁场以及附加的气隙磁场对电机性能的影响，最后用实验验证了附加气隙磁场的存在（见图1-4）。同时，他们用时步有限元方法分析了表面式永磁同步电机因绝缘导致的匝间短路故障，详细研究了不同故障状态（短路匝数）下电机电磁场和电机参数的变化，给出了不同故障状态对电机性能的影响。
西班牙的Romeral L等教授对永磁同步电机匝间短路故障模型以及故障检测进行了研究。考虑永磁同步电机设计和制造因素，实际当中的永磁体产生的气隙磁场并非完全正弦，从而产生空间谐波磁场的前提下，用严格的数学推导得到表面式永磁同步电机匝间短路故障的数学模型，该模型中匝间短路电流可以被精确地描述出来，Matlab仿真可得到理论上的短路电流频谱，通过和实验结果进行对比分析，可判断故障的存在与否和故障的严重程度，认为可通过监测定子电流频谱为永磁同步电机匝间短路在线故障检测提供一种新的思路。图1-4 永磁电机总磁导网络
美国佛罗里达国际大学的Sarikhani A、Mohammed O A等学者对永磁同步电机以及永磁同步发电机的定子绕组匝间短路故障做了研究，并得到了一些有益的结论。针对永磁同步电机变速传动系统中绕组匝间短路故障检测提出了一种基于开环反电动势估计器的检测方法，该估计器用电流模式跟踪方案进行设计，通过比较预估的电机反电动势和参考反电动势的差异进行故障检测，并通过一台0.8kW的永磁同步电机在不同的匝间短路运行状态下进行了验证。
关于永磁同步电机失磁故障方面的研究，一些国外学者做了大量的研究工作。比利时根特大学的De Bisschop J、Abdallh A等学者建立了一种轴向磁通永磁同步电机失磁检测的分析模型，文中考虑三相输入电流、电机的几何形状和电机的电磁特性建立了计算三相电压的正演模型，为了模拟失磁故障，采用标量方程进行求解计算。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]