一台110kw永磁空压机电机磁钢退磁的故事！

缘起·一台永磁空压机故事来源于一次电机失磁的安全性事故， 某印染厂客户反馈110kW空压机发生了过温过流报警，我们到现场时发现其中一台电机，初装机时电机额定电流185A，运行900小时后多次报警过流，最大电流达265A。“一直都是6.5kg工作压力，电流变大了这么多?” 第一反应是温升过高导致磁钢退磁了。但我们测试了定子绕组才76℃，说明电机的油冷系统工作良好，为了进一步排查原因，我们想办法测试转子的工作温度，现场条件简陋，我们只能测试到停机若干秒以后转子端板上的温度，这温度达到了121℃以上。推测转子磁钢最高处的温度应在140℃以上。 

根据这些有限的数据，一个可能的故障机理逐渐形成： 磁钢平均工作点可以反映磁钢整体的磁密分布情况，提高磁钢平均工作点可以有效的提高磁钢整体的抗退磁能力，所以在整体优化阶段将以磁钢的平均工作点作为主要目标。磁钢最低工作点反映的是磁钢上最小磁密的点，反映的局部抗退磁能力，但最低低工作点无法反映低磁密区域范围的面积比例， 因此需要和平均工作点相互配合共同作为优化目标。
3.优化变量：选择和磁钢工作点相关的变量，比如极弧系数、磁钢的夹角、磁钢本身的形状、气隙的不均匀程度等。如上图所示，将V结构参数化，它的所有变量都可以作为优化目标。4.优化算法设置：采用遗传算法进行多目标优化，种群个体数为50，进化代数为100代，也就是总共评估了5000个方案，这样充分搜索了变量空间，以达到深度的优化，同时优化总计算时间用了17小时，相交人工设计，优化效率极大提高。
5 对优化后的结果进行分析：如下图反映的是磁钢平均工作点与最低工作点对应关系的散点图。图中矩形区域是磁钢平均工作点与最低工作点的较为理想的对应关系。可以发现原方案平均工作点为0.645T，最低工作点为0.46T，还处于安全范围。但与矩形区域的方案相比，其平均工作点与最低工作点均处于低水平。在更高的磁钢温度和过载工况下，原方案有局部退磁的风险。再分析磁钢平均工作点与成本的关系，如下图所示为磁钢平均工作点与成本的关系散点图。可以预见的是在帕累托前沿上，磁钢平均工作点提高的同时成本增加，然而原方案离帕累托前沿线较远，其成本和工作点设计远未达到极限位置。所以在不增加成本的情况下，磁钢平均工作点依然有足够的提高空间，可提高至0.65T-0.75T。这就意味着不牺牲成本提高磁钢工作点是有可能的。
6.结果选择：本轮优化主要目标是提高磁钢平均工作点，所以选取最终方案时，首先保证平均工作点大于0.7T，最小工作点大于0.6T，同时不降低功率，不增加电机成本，其他性能整体上保持不变。最终选取2107号方案为最终方案。
7.优化前后对比 最终选取的优化方案与原方案的转子结构对比如下图。下图为优化方案与原方案的性能对比，优化方案相较于原方案输出功率提升了9.54%，成本降低了1.06%，磁钢最低工作点为0.63T，提高了37.9%，磁钢平均工作点为0.7T，提高了8.89%。我们的不牺牲性能和成本提高磁钢安全性意图已经达到，但到底磁钢抗退磁能力提高了多少还需要进一步作退磁校验验证。8.退磁校验：最后应用Volt Motor Designer的工作点计算模块的退磁分析功能，进行退磁风险校验分析。根据磁钢在150℃下的退磁曲线，1.2倍最大去磁电流的工况进行退磁风险校验分析，以电机反电动势的损失比例为标准，计算得到退磁比例。原方案退磁比例为4.22%，说明已产生较大的局部退磁。优化方案退磁比例相比原方案降为1.22%，大大减小了局部退磁面积，满足退磁比例的指标（<< span="">2%）要求。要理解抗退磁能力是如何提高的，我们需要了解磁钢充磁方向工作点来详细信息，经模块计算得到的磁钢工作点如下图，优化方案相较于原方案：磁钢磁密最低工作点充磁方向磁密由-0.321T提高到0.027T，提高了0.35T，磁钢最低工作点得到显著提高。为了进一步理解它，我们还需要观察磁钢的场图：下图为去磁情况下优化方案与原方案磁钢表面的磁密分布云图的对比。从图中可以直观的观察到，原方案磁钢磁密最小值附近，低磁密范围较大，出现了一定的局部退磁。而优化方案平均磁密明显提高，局部低磁密范围很小。说明提高磁钢平均工作点作有效的提高了磁钢整体的抗退磁能力。这样我们通过算法从仿真层面提高了磁钢的安全性，用新方案的转子去现场替换了老转子，去解决剩下29台电机的退磁问题，经过一段时间的运行，客户未再投诉电流超高的问题，事情总算结束。总结像这个案例中的永磁空压机类似的案例在很多地方都在发生。我们经常听到的是长时间运行后磁钢逐渐消磁的故事。背后反映并不是设计的不重视，而是设计的手段和方法体系的不成熟，不是不想做好，而是够不着。我们探索出来一条路子出来，总结一下它的过程是这样的 ：先诊断：确定病因，获得工作点核退磁率指标；再优化：确定磁钢工作点优化目标，兼顾性能成本指标；最后校核：确定新方案的退磁率得到明显提高