永磁同步電機由於其結構簡單、運行可靠、損耗少、功率密度高、 電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優點， 應用範圍極為廣泛， 遍及航空航太、 國防、工農業和產和日常生活的各個領域。 目前， 永磁電機的應用領域仍在不斷的拓展， 風力發電、電動汽車等新能源領域也在大量使用永磁電機。 因此， 為了確保像電動汽車這樣的應用系統以及其它對可靠性要求更高的應用領域的安全性， 必須重視永磁同步電動機運行的可靠性和穩定性。
嵌入電機內的永磁體是永磁同步電機重要的結構部件， 它的磁性能直接影響永磁同步電機的效率、性能和可靠性。 在溫度、電樞反應及機械振動等因素影響下， 嵌入電機內的永磁體可能會產生不可逆失磁， 使電機性能急劇下降， 甚至有可能導致電機停轉， 對於像電動汽車這樣的應用系統， 永磁電機的突然失磁是非常危險的。
國內外研究現狀
近年來， 國內外對永磁材料的失磁機理和永磁同步電機的失磁故障進行了廣泛的研究。 文獻[3]對稀土永磁材料的交流失磁現象進行研究， 總結出稀土永磁材料表面磁感應強度在不同頻率的交變磁場作用下隨時間的變化規律。 文獻[4]針對稀土永磁同步電機在運行一段時間後性能下降這一現象， 分析了引起電機失磁的原因， 提出了在檢修和運行中避免失磁的一些有效方法。 文獻[5]提出了一種基於卡爾曼濾波器的永磁同步電機永磁體磁場狀況線上監測方法。 文獻[6][7]中通過建立參數模型或有限元模型來研究電機的失磁故障，
永磁同步電機失磁的發生
任何磁性材料都存在材料自身的磁性能穩定問題。 永磁材料也具有失磁特性， 當嵌入電機內作為勵磁磁極後， 受電機運行時溫度、電樞反應、機械振動以及其它因素的綜合影響， 永磁體發生不可逆失磁的風險增加， 導致電機的性能下降甚至使電機停轉。
1、機械與化學原因
引起永磁體失磁的機械方面的原因主要是發生劇烈振動使永磁體破損、碎裂， 磁疇的磁矩方向發生變化從而使永磁體磁性能下降。 化學失磁主要是由於永磁體表面處理不當， 或表面鍍層破壞導致永磁體暴露而銹蝕引起的。
2、溫度
溫度對永磁體的磁性能有很大的影響。 在永磁體使用過程中， 環境溫度處於變化中， 其磁性能隨著溫度的變化而變化， 在其它工作條件都正常僅溫度升高時， 永磁體有可能產生不可逆失磁。
3、衝擊電流
電機發生短路故障或暫態超載產生的衝擊電流都會引起同步電機失磁的發生。
4、渦流
在電機處於負載工況時， 特別是高速弱磁時， 電機的合成磁場存在大量諧波， 將在永磁體表面產生渦流，
5、去磁磁場
如果控制系統不穩定， 在高速時會產生過大的去磁電流， 可能導致永磁體失磁。
失磁對電機性能的影響
失磁對同步電動機有很大危害。 永磁電機中的永磁體失磁後,電機的性能下降， 出力不足。 如果失磁嚴重， 電機將不能驅動負載甚至被燒毀。
假定在某一恒定負載下， 永磁體發生了不可逆失磁， 磁性能就會降低， 剩餘磁感應強度會下降。 如果電機負載不變， 即要求輸出的電磁功率不變， 必然會使功角增大和電流增加來產生與負載平衡的電磁力矩。 隨著永磁同步電機不可逆失磁的產生， 電機的鐵損和銅損都會增加， 電機效率明顯下降[11]。
永磁同步電機在設計時，通常會把空載反電動勢設置在一個合理的範圍，以便節省永磁材料、提高功率因素和電機效率。失磁發生後， 永磁體磁性能的改變直接影響氣隙磁場的分佈，氣隙磁通的基波及諧波幅值也將發生改變。若電機仍以額定轉速旋轉，在定子繞組中產生的感應電動勢將隨之發生改變。空載感應電動勢（反電動勢）是反應電機永磁體磁性能最直接的變數。反電動勢的大小不僅決定電機運行於增磁狀態還是去磁狀態，而且對電機的動態性能和穩態性能都有很大的影響。研究反電動勢的變化便可以直接掌握永磁體磁性能的變化。
永磁電機失磁的檢測方法
1、儀器檢測
文獻[4]中提出了用儀器檢測電動機的氣隙磁場來判斷電機是否失磁。主要檢測方法可分為以下幾個方面：
①特斯拉計
特斯拉計（高斯計）是根據霍爾效應製成的，可以方便地測試氣隙中的磁場、磁體的表面磁場和距磁體一定距離的磁場。測試時，轉動霍爾探頭，使之與磁場方向垂直。特斯拉計測試的磁場是霍爾片上的平均磁場，接近於點測試，可以測出磁場的不均勻性。
②磁通表
磁通表（韋伯計）是利用電磁感應定律測量磁通量的直讀儀錶。當測試線圈從磁場中抽出時，磁通表指針發生偏轉。線圈內被測磁通或磁通密度可用儀錶說明書中給定的公式計算。用抽拉線圈方法可以測得線圈面積內平均磁通密度或磁場值。
③直流磁特性測試儀
直流磁特性測試儀能夠同時測試材料的Br，Hc，其工作原理是用電子磁通計測出在外磁場作用下磁化強度或磁感應強度的變化，同時用另一電子磁通計或霍爾探頭測出空隙中磁場的變化，將信號分別輸入 X—Y 記錄儀的x 端和y 端，由此自動記錄材料的退磁曲線和磁滯回線。
儀器檢測雖然簡單易實現但並不準確，不能對失磁機理進行深入的分析。除上述方法之外，還有Matlab 模擬，有限元分析法等。
2、Matlab 模擬
Matlab 提供了強大的信號處理能力和圖形處理能力，在此基礎上結合 Matlab視覺化程式設計功能對電機故障診斷中信號處理部分進行視覺化程式設計，使得信號處理過程簡單方便，並且能夠對信號進行多種變換，有利於診斷人員觀察故障特徵，得出正確的故障診斷結果。
3、有限元分析法
有限元法是將連續的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內假設的近似函數來分片地表示求解域上待求的未知場函數，從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題[9]。有限元法在 20 世紀40 年代被提出後逐漸應用於飛機設計和工程電磁分析領域，能對複雜的電磁場進行高精度求解。它具有適應複雜邊界條件或邊界形狀、較高的求解精度、能求解非線性問題等優點，因此，特別適合求解電機這類邊界條件複雜、存在非線性材料的磁場問題。
①電磁場有限元法
電磁場有限元法是對電磁場偏微分方程求數值解，它的求解步驟是首先將整個求解區域離散化，分割成許多小的區域，稱之為“單元”或者“有限元”。然後將偏微分方程的邊值問題等價為條件變分問題及泛函數求極值的問題，利用剖分插值在單元上構造插值函數，離散化變分問題為普通多元函數的極值問題，以及最終演變成求解一組多元代數方級組，這些方程的解就是待求邊值問題的數值解。通過電磁場有限元法求得各點磁位後，再通過變換（即後處理）就可以得到分析所需要的力、轉矩、損耗、電抗、電動勢等參數[11] 。
②電磁場模擬軟體 Ansoft 介紹
如果借助有限元電磁場模擬元件，電機設計和故障分析會變得非常方便，其求解精度滿足工程要求，且速度相當快。Ansoft 是世界著名的商用電磁場有限元軟體之一，主要用於設計和分析各種電磁設備和機電設備，例如：電機、變壓器、感測器及其它電磁設備。它基於麥克斯韋方程，採用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉變為龐大的矩陣求解，具有操作介面友好，能夠進行分散式運算和平行計算，求解準確性高等特點。 Ansoft 能夠自動自我調整產生適當、高效和準確的網格剖分，這種自動自我調整剖分技術可以使有限元分析變得更簡單。利用Ansoft 軟體，可以分析電機在不同工況下的磁場分佈情況，獲得各種性能參數曲線與資料。
總 結
通過以上文獻資料的整理，大致確定了對永磁同步電機進行失磁診斷的思路：基於功能強大的有限元電磁場模擬軟體 Ansoft 對永磁同步電機進行建模仿真，類比其發生失磁故障，對失磁狀態下的空載反電動勢頻譜進行分析，並與正常狀態下的運行情況進行比較；同時分析電機在額定負載下失磁後一些狀態參數的變化情況。
永磁同步電機在設計時，通常會把空載反電動勢設置在一個合理的範圍，以便節省永磁材料、提高功率因素和電機效率。失磁發生後， 永磁體磁性能的改變直接影響氣隙磁場的分佈，氣隙磁通的基波及諧波幅值也將發生改變。若電機仍以額定轉速旋轉，在定子繞組中產生的感應電動勢將隨之發生改變。空載感應電動勢（反電動勢）是反應電機永磁體磁性能最直接的變數。反電動勢的大小不僅決定電機運行於增磁狀態還是去磁狀態，而且對電機的動態性能和穩態性能都有很大的影響。研究反電動勢的變化便可以直接掌握永磁體磁性能的變化。
永磁電機失磁的檢測方法
1、儀器檢測
文獻[4]中提出了用儀器檢測電動機的氣隙磁場來判斷電機是否失磁。主要檢測方法可分為以下幾個方面：
①特斯拉計
特斯拉計（高斯計）是根據霍爾效應製成的，可以方便地測試氣隙中的磁場、磁體的表面磁場和距磁體一定距離的磁場。測試時，轉動霍爾探頭，使之與磁場方向垂直。特斯拉計測試的磁場是霍爾片上的平均磁場，接近於點測試，可以測出磁場的不均勻性。
②磁通表
磁通表（韋伯計）是利用電磁感應定律測量磁通量的直讀儀錶。當測試線圈從磁場中抽出時，磁通表指針發生偏轉。線圈內被測磁通或磁通密度可用儀錶說明書中給定的公式計算。用抽拉線圈方法可以測得線圈面積內平均磁通密度或磁場值。
③直流磁特性測試儀
直流磁特性測試儀能夠同時測試材料的Br，Hc，其工作原理是用電子磁通計測出在外磁場作用下磁化強度或磁感應強度的變化，同時用另一電子磁通計或霍爾探頭測出空隙中磁場的變化，將信號分別輸入 X—Y 記錄儀的x 端和y 端，由此自動記錄材料的退磁曲線和磁滯回線。
儀器檢測雖然簡單易實現但並不準確，不能對失磁機理進行深入的分析。除上述方法之外，還有Matlab 模擬，有限元分析法等。
2、Matlab 模擬
Matlab 提供了強大的信號處理能力和圖形處理能力，在此基礎上結合 Matlab視覺化程式設計功能對電機故障診斷中信號處理部分進行視覺化程式設計，使得信號處理過程簡單方便，並且能夠對信號進行多種變換，有利於診斷人員觀察故障特徵，得出正確的故障診斷結果。
3、有限元分析法
有限元法是將連續的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內假設的近似函數來分片地表示求解域上待求的未知場函數，從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題[9]。有限元法在 20 世紀40 年代被提出後逐漸應用於飛機設計和工程電磁分析領域，能對複雜的電磁場進行高精度求解。它具有適應複雜邊界條件或邊界形狀、較高的求解精度、能求解非線性問題等優點，因此，特別適合求解電機這類邊界條件複雜、存在非線性材料的磁場問題。
①電磁場有限元法
電磁場有限元法是對電磁場偏微分方程求數值解，它的求解步驟是首先將整個求解區域離散化，分割成許多小的區域，稱之為“單元”或者“有限元”。然後將偏微分方程的邊值問題等價為條件變分問題及泛函數求極值的問題，利用剖分插值在單元上構造插值函數，離散化變分問題為普通多元函數的極值問題，以及最終演變成求解一組多元代數方級組，這些方程的解就是待求邊值問題的數值解。通過電磁場有限元法求得各點磁位後，再通過變換（即後處理）就可以得到分析所需要的力、轉矩、損耗、電抗、電動勢等參數[11] 。
②電磁場模擬軟體 Ansoft 介紹
如果借助有限元電磁場模擬元件，電機設計和故障分析會變得非常方便，其求解精度滿足工程要求，且速度相當快。Ansoft 是世界著名的商用電磁場有限元軟體之一，主要用於設計和分析各種電磁設備和機電設備，例如：電機、變壓器、感測器及其它電磁設備。它基於麥克斯韋方程，採用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉變為龐大的矩陣求解，具有操作介面友好，能夠進行分散式運算和平行計算，求解準確性高等特點。 Ansoft 能夠自動自我調整產生適當、高效和準確的網格剖分，這種自動自我調整剖分技術可以使有限元分析變得更簡單。利用Ansoft 軟體，可以分析電機在不同工況下的磁場分佈情況，獲得各種性能參數曲線與資料。
總 結
通過以上文獻資料的整理，大致確定了對永磁同步電機進行失磁診斷的思路：基於功能強大的有限元電磁場模擬軟體 Ansoft 對永磁同步電機進行建模仿真，類比其發生失磁故障，對失磁狀態下的空載反電動勢頻譜進行分析，並與正常狀態下的運行情況進行比較；同時分析電機在額定負載下失磁後一些狀態參數的變化情況。