高密度永磁電機永磁體防退磁技術的分析

邱寅晨

（1.大唐環境產業集團股份有限公司；2.大唐（北京）能源管理有限公司，北京 100097）

高密度永磁電機永磁體防退磁技術的分析

邱寅晨1，2

（1.大唐環境產業集團股份有限公司；2.大唐（北京）能源管理有限公司，北京 100097）

本文分析了永磁體的退磁機制，基于退磁原理，建立了退磁模型，并設計了高密度永磁電機防退磁方案。通過實驗的方法，驗證了防退磁方案的可行性，證實了防退磁方案的推廣價值。

高密度永磁電機；永磁體；防退磁技術

高密度永磁電機在電動汽車、煤礦、電廠以及化工等領域應用廣泛，由永磁體提供勵磁，無需電網提供勵磁電流，定子電流下降，定子銅損耗減小，功率因數提高，電機同步速運轉，沒有轉差，穩態運行時轉子幾乎沒有電流，故沒有轉子銅損耗，因此具有效率高、體積小、反應快、功率因數高、運行電流小、溫升低、節能效果顯著的特點。但受環境溫度等因素的影響，電機退磁問題顯著存在，對機械使用安全性造成的影響較大。研究永磁體防退磁技術是解決上述問題的方法。

1 永磁體退磁機制

磁性材料需以原子的固定電子結構為依靠保持磁性。受溫度、外磁場、化學以及振動等因素的影響，永磁體的電子結構容易發生變化，致使退磁問題發生：（1）溫度：溫度的變化與永磁體磁性的變化負相關。隨溫度的上升，釹鐵硼永磁材料磁性逐漸消失。（2）外磁場：影響永磁體磁性的外磁場，主要包括恒穩磁場以及突變磁場兩種。恒穩磁場對永磁體磁性的影響相對較小。當永磁體最初工作點較突變磁場高時，永磁材料容易發生退磁現象，反之則否。（3）化學：永磁體與酸、堿等化學物質接觸后，材料中的鐵可發生銹蝕，磁性隨之下降。（4）振動：永磁體磁疇結構穩定，遇振動后，結構穩定性會受到影響，導致退磁矩能量發生擺動，致使退磁問題發生。

2 高密度永磁電機永磁體防退磁技術的分析

2.1 退磁模型

以電動汽車為例，建立了高密度永磁電機永磁體的退磁模型。

2.1.1 工況分析

（1）電動汽車工況包括啟動、加速、轉彎、負載等，工況較為復雜。（2）低速區對彎矩要求高。（3）動力結構集成性強，體積小。（4）對機械強度要求高。（5）電能的利用率與電動汽車的行駛里程正相關，電能利用率越高，同樣工況下電動車的行駛里程越長。

2.1.2 電動機原型設計

（1）確定電機轉子類型。（2）估算電機尺寸。（3）評估電機能力指標。（4）確定極弧系數。（5）計算電機概念。

2.1.3 退磁模型

（1）建立等效磁網格單元。（2）構建定子網絡模型。（3）在考慮溫度的基礎上，建立轉子磁網絡模型。（4）建立氣隙磁網絡模型。

2.2 防退磁設計

2.2.1 多因素觀測器設計

根據外磁場及溫度的不同，永磁體的工作狀態也不盡相同。因此，需將與永磁體磁性有關的多種因素，作為觀測器設計的主要影響因素加以控制，以實現對不同因素的優化設計，提高防退磁技術水平。

2.2.2 熱網網絡模型

熱網網絡模型建立方法如下：（1）根據溫度的不同功能，將水冷基座劃分為不同節點，使部分熱量可進入到冷卻循環環節，使水得到冷卻。其余熱量可通過電機機體散發到外部。（2）定子屬于永磁電機的主要組成部分，一般由鐵芯及繞組兩部分構成，兩者均屬于熱源的主要損耗者。鐵芯溫度節點一般處于齒部附近。（3）繞組端部處于機組端部之中，當永磁電機運行時，定子鐵芯、繞組可發生熱傳遞。鑒于電機結構具有對稱性，可采用相同方法處理上述元件。（4）將電動汽車的前軸承與后軸承蓋的熱路并聯，可得到不同的軸承模塊。（5）應將轉子鐵芯的溫度節點以及機座的溫度節點應用到軸承熱網格模型的建立過程中，提高模型建立的合理性。

2.2.3 損耗分析

（1）計算電樞繞組損耗：電樞即定子電樞。當定子電流通過定子繞組后，電樞便會產生。需以定子電力及繞組參數為基礎，計算電樞繞組損耗。（2）鐵芯損耗：當永磁材料處于交變磁場中時，退磁問題較容易發生。導致上述問題出現的原因，與鐵芯的損耗存在聯系，因此需重點考慮鐵芯損耗問題。（3）受齒槽效應的影響，永磁體容易產生渦流損耗。可在已知軸向長度、回路電阻等數據的基礎上，計算出渦流損耗。（4）軸承損耗：軸承損耗應在已知軸承摩擦力矩及轉速等參數的基礎上計算得出。

3 防退磁技術應用效果驗證

通過實驗的方法，觀察了防退磁技術的應用效果。

3.1 實驗設計

3.1.1 同步電機模型

以永磁體溫度為基礎，建立同步電機模型：（1）假設三相定子電流以對稱的正弦波電流為主。（2）電子繞組與軸線處于轉子的零位置。（3）假設定子繞組無漏磁問題。（4）在上述假設均成立的基礎上，建立永磁體同步電機模型（圖1）。

3.1.2 永磁體監測器

（1）以永磁體觀測器為憑借，對電機加以控制。（2）以永磁體觀測器為憑借，建立矢量控制系統。（3）設計實驗平臺：永磁轉子結構以V字形為主。樣機90kW。

圖1 同步電機模型

3.1.3 實驗系統構成

實驗系統由電源、控制器、傳感器、數據采集系統等構成：（1）電源：實驗系統電源為直流輸入電源，可實現對三相交流電的整流，使之最終以直流電源的形式輸出。（2）被測電機控制器：由被測電機、逆變器以及控制器等部分構成。（3）測功機及控制器：由測功機、逆變器以及控制器等部分構成。（4）轉速傳感器：功能在于檢測永磁電機的轉速。（5）數據采集系統：將自動化數據采集系統應用到實驗中，實現對電機運行數據的采集。被測電機以及測功機可發出控制指令，在獲取指令后，便可開始采集轉速以及溫度等方面的數據。（6）系統采用并網電測功電氣方案設計，測功機以及被測機供電電源均以直流電源為主，且兩者的電源為同一臺。測試過程中，被測機與測功機需處于不同的工況，如前者處于電動工況，后者則需處于發電工況中。

3.2 實驗結果

電機性能以及觀測器控制實驗結果分別如下。

3.2.1 電機性能實驗結果

電機性能結果如下：（1）通過對電機輸出矩性能的測試發現：當工況處于峰值狀態下，且固定不變時，電機的轉矩輸出能力較強。（2）峰值工況與額定工況下，電機的輸出功率測試結果存在顯著差異。兩種工況下，功率變化規律大致相同，但對比可見，峰值工況下輸出功率更高。當電機速度達到4000r/min時，峰值工況及額定工況下的功率均可達到最高。（3）通過對電機效率曲線的觀察可以發現，峰值工況與額定工況下，電機效率均較高，效率曲線基本重疊，無顯著差異。

3.2.2 觀測器控制實驗結果

觀測器控制實驗結果如下：（1）隨著永磁體運行時間的延長，前軸承、后軸承、永磁體以及定子線圈的溫度均隨之提升。前期溫度提升較快，后期溫度曲線變化幅度較小，但仍呈上升趨勢。在四大元件中，永磁體溫度最高。（2）永磁體實測溫度與預計溫度大體相同，兩項數據對比無統計學差異。（3）通過對永磁體觀測值驗證試驗結果的觀測發現：永磁體臨界溫度為180℃、磁場強度為560kA/m。（4）在工況為100N·m、4000r/min時，電機的升溫幅度較小，且較為平穩。當永磁體處于臨界工作狀態時，電流以及電壓基本已達到極限，此時永磁體難以正常工作。

3.3 小結

（1）受溫度以及外磁場等因素的影響，高密度電機永磁體出現退磁現象不可避免。永磁體退磁具有不可逆的特點。為提高高密度永磁電機的使用性能，加強對退磁的預防是關鍵。（2）針對高密度永磁電機建立退磁模型，是研究防退磁術的基礎。（3）設計電機原型，建立等效磁網絡模型，評估永磁體的防退磁能力，優化永磁體參數，是提高永磁體防退磁技術水平的主要步驟。（4）采用多目標優化設計的方法設計的永磁體防退磁方案，具有經濟性強、損耗小的特點，且能夠有效實現對永磁體磁性的保護。（5）永磁電動機的溫度以及觀測器，是影響退磁的主要因素，防退磁方案設計過程中，應充分考慮上述問題。

4 結語

綜上，基于多目標優化設計方法所設計的永磁體防退磁方案，防退磁效果好、磁性損耗小，經濟效益顯著，具有較高的推廣價值。

[1]陳學永,劉力,王曉遠. 大功率電動摩托車驅動用高功率密度永磁同步電機損耗分析與計算[J]. 微電機,2016,(04):21-26.

[2]張琪,魯茜睿. 多領域協同仿真的高密度永磁電機溫升計算[J].中國電機工程學報,2014,(12):1874-1881.

[3]張琪,張俊. 集膚效應對高密度永磁電機溫升的影響[J]. 電機與控制應用,2013,(08):35-39.

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