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无刷直流电动机转子退磁故障的检测方法
赵向阳;葛文韬
【期刊名称】《电机与控制学报》
【年(卷),期】2012(016)002
【摘要】为了研究无刷直流电动机的转子退故障,基于Ansoft/Maxwell软件平台,设置转子退磁故障,建立求解电机反电动势的有限元模型；基于Ansoft/Simplorer 软件平台,建立无刷直流电动机系统的仿真模型.在电机稳态运行下,对定子电流进行傅里叶分析,研究并建立基于定子电流监测转子退磁故障的仿真模型:退磁故障与特征频率的关系、退磁故障程度与特征频率幅值的关系.进一步,采用基于转矩常数估计的方法对无刷直流电机的转子退磁故障进行监测.仿真结果表明,在转速波动较小时采用定子电流分析法的效果更好,在转速波动较大时,采用转矩常数估计法可以在线监测无刷直流电动机转子的退磁故障.
【总页数】6页(P50-55)
【作者】赵向阳;葛文韬
【作者单位】北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191
【正文语种】中文
【中图分类】TM307
【相关文献】
1.一种改进的无刷直流电动机转子位置反电势检测方法 [J], 陈兵;马志源;冷再兴
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基于 Ansoft 的永磁同步电机退磁仿真分析摘要：为了保证永磁同步电机抗退磁能力仿真的准确性，本文提出了一种基于 Ansoft Maxwell 软件的永磁同步电机退磁仿真方法。
以12S10P磁同步电机为例(PMSM) ，首先详细的介绍了此退磁仿真的电磁设置；然后评估与验证了此退磁仿真方法的仿真值与实测值差异；最后提供了此仿真方法的问题与改进思路，为永磁同步电机退磁仿真提供了参考。
关键词：Ansoft；退磁引言在压缩机的应用工况下，为了保持整套系统的高可靠性，压缩机中所有零件都需要进行可靠性评估，使所有的零件都能保持在正常的状态下运行。
对于压缩机中的主要驱动零部件——电机来说，永磁体退磁是一个重要的指标[1]。
为了保证永磁同步电机按照设计的状态运行并达到设计的效果，永磁体需要在充磁饱和的状态下工作[2]。
当永磁同步电机转子永磁体发生不可逆退磁，整个电机将不再运行于最佳工作状态，进而影响到压缩机的性能。
因此对永磁同步电机进行抗退磁能力评估是一项重要的工作。
目前对于永磁同步电机的退磁电流的测试方法一般为：并接电机绕组某两相，给绕组通入电流使转子自动定位，并固定电机转子此时位置，随后通入反向电流，并对比测试通入退磁电流前后的线磁链值，以该值下降 3 % 为限定标准。
但是，目前采用的仿真分析方法为在永磁体上设定取样曲线，并计算施加退磁电流后取样曲线上剩磁回复值，按照剩磁平均值降低 3 % 为限定标准。
以上实验测试方法和仿真分析方法存在判定指标不一致的情况，因此为了提高仿真准确性以及仿真与测试的一致性，以及充分应用 Ansoft 的退磁仿真功能，本文对 Ansoft 的退磁仿真功能进行了研究。
1 Ansoft仿真分析软件退磁仿真1.1基本设置1.1.1电机退磁仿真工况电机运行状态按照正常的电机性能仿真设定，仿真模型为模拟电机正常运行并通入了较大电流时电机永磁体发生退磁的情况，按照 3 % 磁链降低为界限限定。
Maxwell 2D 退磁模擬操作流程1.溫度場退磁模擬：N42SH不同溫度下退磁曲線以稀土永磁材料N42SH為例，退磁曲線會因溫度的不同而變化，在Maxwell 2D 中材料輸入其對應溫度的退磁曲線，依照需求選取不同溫度的退磁曲線進行分析即可得知在此溫度下電機性質的變化。
於材料庫中將永磁材料相對磁導率改為非線性，輸入B-H Curve由材料庫編輯永磁材料在Relative Permeability中Type選擇Nonlinear輸入非線性B-H曲線。
下圖為以180度C的退磁曲線為例，拐點約為0.6Tesla。
N42SH於180攝氏度的退磁曲線輸入將模型中材料指定為欲分析溫度的B-H Curve進行反電動勢模擬可得三相反電動勢為磁通密度分布為比對60攝氏度的結果磁通密度分布為=可知額定輸出亦會降低。
可看出在高溫下電機的反電動勢下降，由b e i Tω2.負載電流於Iq=0時的動態退磁：在模擬負載電流的動態退磁時，需施加最大去磁電流(短路電流or啟動電流or 額定電流)於電樞繞組中，內功率因數角為90度，輸入電流與空載反電動勢相差90度。
三相電流激勵輸入將初始位置設定為反電動勢為零點，三相輸入電流內功率角90度PhaseA: inI*Sin(2*360deg* frequency*time+90deg)PhaseB: inI*Sin(2*360deg* frequency *time+90deg-120deg)PhaseC: inI*Sin(2*360deg* frequency *time+90deg-240deg)退磁動態模擬在Analysis的setup選取Advanced勾選Demagnetization Option中的Nonlinear B-H Curve與Compute Data For Link的Dynamic demagnetization distribution將退磁模擬後的數據傳遞至其他專案供使用。
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说明：部分操作因版本不同存在差异1。
静电场问题实例：平板电容器电容计算仿真平板电容器模型描述：上下两极板尺寸：25mm×25mm×2mm，材料：pec(理想导体)介质尺寸：25mm×25mm×1mm，材料：mica（云母介质)激励：电压源，上极板电压:5V，下极板电压:0V。
要求计算该电容器的电容值1.建模（Model）Project > Insert Maxwell 3D DesignFile〉Save as>Planar Cap（工程命名为“Planar Cap”）选择求解器类型：Maxwell 〉 Solution Type> Electric> Electrostatic(静电的）创建下极板六面体Draw > Box(创建下极板六面体）下极板起点:(X，Y，Z）〉（0, 0, 0）坐标偏置：（dX,dY，dZ）〉（25, 25,0)坐标偏置：(dX,dY，dZ）〉（0， 0， 2）将六面体重命名为DownPlateAssign Material 〉 pec(设置材料为理想导体perfect conductor）创建上极板六面体Draw 〉 Box（创建下极板六面体）上极板起点：（X,Y,Z)〉（0, 0, 3）坐标偏置：(dX，dY,dZ）>(25, 25,0)坐标偏置：（dX，dY，dZ）〉（0， 0， 2）将六面体重命名为UpPlateAssign Material 〉 pec（设置材料为理想导体perfect conductor）创建中间的介质六面体Draw 〉 Box(创建下极板六面体）介质板起点：（X,Y，Z)〉(0, 0， 2）坐标偏置：（dX,dY，dZ）〉（25, 25，0）坐标偏置：（dX,dY，dZ）>（0， 0, 1）将六面体重命名为mediumAssign Material > mica（设置材料为云母mica，也可以根据实际情况设置新材料）创建计算区域（Region）Padding Percentage：0%忽略电场的边缘效应（fringing effect）电容器中电场分布的边缘效应2。
永磁体BH的两种输入方法，recoil，退磁，第三象限，ansoftmaxwell v13笔记本上的那部分补上！=========================================================== =====================静磁-磁化link说明.gif静磁_磁化link_source.gif静磁_磁化link_target.gif静磁-磁化link-软磁材料的mu的link说明.gif静磁-磁化link-永磁体退磁说明.gif静磁_磁化link_软磁材料mu的link必须源目标模型的mesh相同，永磁体磁化源目标mesh可以不同(用平均).gif=========================================================== =====================The usual way to create geometrically equivalent designs is by copying all geometry objects from onedesign and then using Import From Clipboard in the other design.=========================================================== =====================瞬态——To be used as a target model瞬态——To be used as a Source model=========================================================== =====================瞬态永磁体退磁（demagntization option）link 的详细说明1. In the De magnetization Option section, select one of the following two radio buttons:? Nonlinear B-H curve. Using B-H curves is the default. Select this option when setting up a normal transient nonlinear application with or without motion.? Use dynamic magnetization data. Select this option in the target design if there is a cor-responding "source"design with the Compute dynamic magnetization distribution check box selected. The mesh between the two linked designs is the same. However, the source and target designs can have different time step settings. If the source design is not solved, the data link functionality used here tries to automatically solve the source design and then use the "worst case"dynamic magnetization data of the entire transient solution in the target design. Thus, once the two projects have beenset up properly, it is not abso-lutely necessary to solve the source design first. In this case, starting the target design solution process initiates the transient solution process of the source design and then solves the transient solution of the target design automatically.If you selected Nonlinear B-H Curve and Compute dynamic magnetization distribution, the solver finds the worst dynamic demagnetization operation point element by element during the entire transient solution, then uses the data for the target design.=========================================================== =====================recoil 和 trans 退磁 data link.jpg。
Maxwell稳态磁场求解器仿真实例一ANSYS有限元仿真2月7日311问题描述：求解一段通有100A电流的铜导线在稳定磁场中的受力情况。
磁场由永磁体产生。
磁性材料为材料库中的NdFe35。
磁性材料属性如下定义（X方向磁化）。
模型图如下。
其中红色框线为求解区域。
注：磁体外部磁感线设置方向是从+X面出发垂直穿过导线进入-X面。
即+X面是N极，-X面为S极。
Maxwell前处理求解树如下图：Boundaries边界条件：这里边界条件未指定，系统自动选取默认边界条件加载到物体外边界。
Excitations激励：在导线两个端面加载100A稳定电流，两端面电流大小方向均一致都流向+Y方向（注意断开导体端面需与求解区域表面重合，否则无法计算）Parameters参数：选中通电导线然后添加Force力参数。
Mesh operations网格划分：右击鼠标选择Assigned>Inside selection>Length based…其中导线划分尺寸为0.5mm，磁铁划分尺寸3mm。
Analysis分析设置：这里直接添加分析设置默认即可。
结果查看：鼠标右击Result选择Solution data得到如下结果窗口。
安培力大小为Fz=0.57657N（+Z方向）理论验证：根据安培定律F=BIL可知通电导线受力大小为磁感应强度B*电流*导体长度。
受力方向可根据左手定则确定。
选中铜导线右击云图按钮Field overlays>Field>B>B_Vector 查看导线处磁场强度H，磁感应强度B导线磁场强度H导线磁感应强度B上面B、H云图的中间数值之比恰好与真空中的磁导率接近。
这与物理课本中讲的介质磁导换算公式B=U*H是相符和的。
下面直接取用B云图的中间数值B=0.557T参与理论验算。
电流I取输入值I=100A，导线长度由几何模型可知L=0.01M。
理论计算值F=B*I*L=0.557*100*0.01=0.557N,方向由左手定则：电流+Y，磁场-X，所以可确定力朝向+Z方向。
说明：部分操作因版本不同存在差异1. 静电场问题实例：平板电容器电容计算仿真平板电容器模型描述：上下两极板尺寸：25mm×25mm×2mm，材料：pec（理想导体）介质尺寸：25mm×25mm×1mm，材料：mica（云母介质）激励：电压源，上极板电压：5V，下极板电压：0V。
要求计算该电容器的电容值1.建模（Model）Project > Insert Maxwell 3D DesignFile>Save as>Planar Cap（工程命名为“Planar Cap”）选择求解器类型：Maxwell > Solution Type> Electric> Electrostatic（静电的）创建下极板六面体Draw > Box（创建下极板六面体）下极板起点：（X,Y,Z）>（0, 0, 0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（25, 25,0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）将六面体重命名为DownPlateAssign Material > pec（设置材料为理想导体perfect conductor）创建上极板六面体Draw > Box（创建下极板六面体）上极板起点：（X,Y,Z）>（0, 0, 3）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（25, 25,0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 2）将六面体重命名为UpPlateAssign Material > pec（设置材料为理想导体perfect conductor）创建中间的介质六面体Draw > Box（创建下极板六面体）介质板起点：（X,Y,Z）>（0, 0, 2）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（25, 25,0）坐标偏置：（dX,dY,dZ）>（0, 0, 1）将六面体重命名为mediumAssign Material > mica（设置材料为云母mica，也可以根据实际情况设置新材料）创建计算区域（Region）Padding Percentage：0%忽略电场的边缘效应（fringing effect）电容器中电场分布的边缘效应2.设置激励（Assign Excitation）选中上极板UpPlate,Maxwell 3D> Excitations > Assign（计划，分配）>Voltage > 5V选中下极板DownPlate,Maxwell 3D> Excitations > Assign >Voltage > 0V3.设置计算参数（Assign Executive Parameter）Maxwell 3D > Parameters > Assign > Matrix （矩阵）> Voltage1, Voltage2 4.设置自适应计算参数（Create Analysis Setup）Maxwell 3D > Analysis Setup > Add Solution Setup最大迭代次数：Maximum number of passes > 10误差要求：Percent Error > 1%每次迭代加密剖分单元比例：Refinement per Pass > 50%5. Check & Run6. 查看结果Maxwell 3D > Reselts > Solution data > Matrix电容值：31.543pF2. 恒定电场问题实例：导体中的电流仿真恒定电场：导体中，以恒定速度运动的电荷产生的电场称为恒定电场，或恒定电流场（DC conduction（传导））恒定电场的源：（1）Voltage Excitation，导体不同面上的电压（2）Current Excitations，施加在导体表面的电流（3）Sink（汇），一种吸收电流的设置，确保每个导体流入的电流等于流出的电流。
Maxwell退磁曲线的导入随着科学技术的不断发展，磁性材料在工业生产中得到了广泛的应用。
其中，磁性材料的磁性退磁曲线是描述其磁性能的重要参数之一。
Maxwell退磁曲线是研究磁性材料磁性能的重要工具，其导入与磁性材料的特性分析和应用密切相关。
本文将对Maxwell退磁曲线的导入进行探讨。
一、Maxwell退磁曲线的概念Maxwell退磁曲线是指在磁场强度逐渐减小的过程中，磁感应强度随之变化的曲线。
在实际工程中，磁性材料的应用往往需要对其进行退磁处理，以消除材料的残余磁化和磁滞损耗，从而保证其磁性能的稳定性和一致性。
Maxwell退磁曲线的导入可以帮助我们更好地理解材料的磁性能，并为工程实践提供重要的参考依据。
二、Maxwell退磁曲线的测量方法在实际工程中，我们常常使用霍尔元件或其他磁感应强度传感器来测量磁感应强度随磁场强度的变化。
通过改变磁场强度的大小和方向，我们可以得到一组磁感应强度随磁场强度的数据点。
在测量过程中，需要注意消除外界干扰，保证测量结果的准确性和可靠性。
三、Maxwell退磁曲线的数据处理测量得到一组磁感应强度随磁场强度变化的数据后，我们需要对其进行处理，得到Maxwell退磁曲线。
常用的数据处理方法包括线性拟合、曲线拟合和数学建模等。
通过这些方法，我们可以得到磁感应强度随磁场强度的函数关系，并进一步分析材料的磁性能。
四、Maxwell退磁曲线的分析应用Maxwell退磁曲线不仅在科研领域被广泛应用，而且在工程实践中也具有重要的应用价值。
通过对Maxwell退磁曲线的分析，我们可以评估材料的磁性能指标，如残余磁感应强度、磁滞损耗等，为材料的选择和设计提供依据。
Maxwell退磁曲线的导入还可以帮助我们优化磁性材料的工艺参数，提高其性能和稳定性。
五、结语Maxwell退磁曲线的导入对于磁性材料的研究和应用具有重要意义。
通过测量、数据处理和分析，我们可以深入了解材料的磁性能，并将其应用于工程实践中。
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具有剩磁的工件再进行加工、组装，出产的新产品就会出现问题。
这些新产品容易吸附铁屑，从而影响机械性能和涂层处理等。
此外，若产品在灵敏度高的仪表附近使用，则强度很大的磁场将会影响仪表的正常工作。
因此，分析退磁技术原理和方法，对退磁技术的研究具有重要的意义。
退磁的难易取决于材料的矫顽力，但高顽磁性未必与高矫顽力有关，因此，磁化的强度小能反映出退磁的难易。
退磁的方法一般是给工件施加一个等于或大于磁化的磁场，然后不断地改变磁场方向并逐渐减小磁场强度到零值。
退磁的原理是：将工件置于方向随时间交变的磁场中，产生磁滞回线，在幅值逐步递减至零的过程中，回线轨迹越来越小，工件中剩磁也越来越小，最后接近于零，如图1所示。
退磁开始时的磁场幅值必须足以克服材料矫顽力，矫顽力是代表材料退磁难易程度的指示值，只有克服了矫顽力才能使工件中的剩磁随电流极性的变化而颠倒翻转，逐步减小。
实际上材料的矫顽力往往是未知的，但它总是小于原磁化场Hc的。
因此，退磁磁场的初始幅值须等于或大于原磁化场H0的幅值。
调零电机中使用AlNiCo磁钢，该磁钢的优点是其温度系数小，因而受温度变化而引起的磁性能变化很小。
