內置式永磁同步電機退磁仿真建模及特征分析

劉麥，馬艷花

(海南經貿職業技術學院，海南省智能電網裝備工程研究中心，海南海口 571127)

0 引言

永磁同步電機以其結構簡單、動態響應快、高可靠性、高效率、高功率密度等優點，廣泛應用于軍事、工業、日常生活等領域[1]，目前電動汽車上驅動電機也多以永磁同步電機為主。永磁同步電機的磁場是由轉子上的永磁體所產生,永磁材料主要分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復合永磁材料等，具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁的特點[2]。稀土永磁材料小型化、輕量化、性能高的優點，以及在我國儲量和產量大、成本低，使得其發展迅速，應用范圍廣，電動汽車驅動電機常用釹鐵硼稀土永磁材料。永磁材料和其他磁性材料一樣，也會發生退磁現象。當永磁體提供的磁場出現退磁時，會直接影響電機的運行，從而威脅電動汽車的安全。因此，永磁電機的退磁分析是電機設計、生產制造和后期維修維護不可忽略的問題。

1 內置式永磁同步電機結構

永磁同步電機根據轉子結構中永磁體磁極分布的不同，主要可分為表面式和內置式兩種，如圖1所示。表面式結構又分為表面凸出式和表面嵌入式，內置式結構有“一”字型、“U”字型、“V”字型等[3]。

圖1 永磁轉子結構

表面式永磁轉子結構簡單、制造工藝簡單、成本低、易于優化實現正弦波氣隙磁密，但無法進行弱磁調速，調速范圍很小，且機械強度較小。內置式永磁轉子結構復雜、成本高，但動態、穩態性能好，具有高氣隙磁通密度、高過載能力、高功率密度，能夠實現弱磁調速、調速范圍寬，且機械強度大、抗退磁能力強等優點[4]，因此電動汽車永磁同步電機多采用內置式永磁轉子結構。文中以某電動汽車驅動電機用永磁同步電機為研究對象，對電機進行仿真建模及退磁時的特征分析。

2 永磁同步電機退磁模型

永磁同步電機為8極48槽內置式永磁體結構。其中定子參數見表1，定子繞組為三相單層繞組結構。

表1 定子結構參數

轉子采用V型內置式結構，外徑160.4 mm，內徑110.64 mm，氣隙寬度0.75 mm。共16個永磁體磁極，其槽體參數如圖2所示[5]。永磁材料型號采用N38SH，最高工作溫度150 ℃，矯頑力Hcb為915 kA/m，剩磁Br為1.23 T，回稟矯頑力Hcj為1 592 kA/m。

圖2 轉子結構

汝鐵硼永磁材料是目前性能最高的永磁材料，工作于磁滯回線的第二象限退磁部分，在去磁工作點之下磁導率變化極小，可認為是線性退磁關系，也就是退磁情況下磁導率保持不變。文中研究永磁體均一退磁情況下的特征分析，以均一退磁20%、40%、60%、80%為研究對象。根據汝鐵硼永磁體的特性，可通過不改變磁導率，依次降低剩磁Br20%、40%、60%、80%來實現電機退磁模型的建立。

3 永磁同步電機退磁特征分析

3.1 氣隙磁密分析

永磁同步電機模型穩態仿真計算，不施加激勵，空載情況下永磁體未退磁時電機的磁通密度云圖如圖3所示。由圖可見，磁通密度分布均勻，永磁體部分未出現失磁。

電機內部磁通可分解為徑向磁通和切向磁通，其中徑向磁通作用于定子和轉子各部分，產生轉矩、反電動勢等，是實現能量轉換的橋梁。取氣隙磁通密度位置為轉子與定子氣隙正中間，對該位置進行徑向磁通密度取值，可得圖4所示氣隙磁密曲線。從曲線可知，整體呈正弦波但含有較大成分的諧波分量，對氣隙磁密曲線進行FFT變換。

圖3 電機磁通密度云圖

分別計算均一退磁20%、40%、60%、80%之后的電機磁通密度云和氣隙磁密曲線，并進行氣隙磁密曲線的FFT變換，可得各退磁率下的FFT變換后前13次諧波情況，結果如圖5所示，各諧波分量與基波分量的百分比(諧波含量)見表2。

圖4 氣隙磁密曲線

圖5 氣隙磁密曲線FFT變換

表2 氣隙磁密各次諧波占基波百分比 %

由表2可知，隨著退磁程度的加深，氣隙磁通密度隨之明顯減小。各諧波含量中，5次諧波含量依次降低、11次諧波含量依次增加。同時仿真計算細化退磁程度依舊滿足此變化趨勢。因此，可將5次諧波含量和11次諧波含量作為永磁同步電機是否退磁的一種診斷依據。

3.2 反電動勢分析

正常磁場下反電動勢曲線如圖6所示。

圖6 空載反電動勢曲線

空載運行時電機的反電動勢是永磁體產生的空載氣隙磁通基波分量在繞組中產生的感應電動勢，與磁場強度有關，最能直接反應內部磁場情況，從而掌握永磁體的磁性能變化。激勵輸入0，轉速750 r/min空載運行時分別對永磁同步電機正常情況、均一退磁20%、退磁40%、退磁60%、退磁80%情況下進行反電動勢仿真計算。

正常情況和均一退磁20%、退磁40%、退磁60%、退磁80%情況下空載反電動勢的基波幅值見表3，對各個情況下的反電動勢取A相波形進行FFT變換，結果見表4。隨著退磁程度的加深，電機內部磁場強度減弱，根據空載反電動勢公式可知，反電動勢大小和磁通呈正比例關系，因此，反電動勢也明顯隨著退磁程度的加深而減小。同時，從FFT變換可以看出，5次諧波占基波的百分比隨著退磁程度的加深而逐漸減小。因此，空載反電動勢的大小和5次諧波含量可作為判斷是否退磁的診斷依據之一。

表3 反電動勢基波幅值 V

表4 反電動勢各次諧波占基波百分比 %

3.3 相電流分析

該永磁同步電機基準功率50 kW，基準轉速1 194 r/min，基準轉矩400 N·m。設置負載工況下對電機進行仿真計算定子三相相電流。正常磁場下三相相電流如圖7所示，由于迭代的原因，電流波形在最開始不穩定，3 ms后趨于穩定。

圖7 定子三相相電流曲線

取A相定子電流穩定后的10～30 ms區間的波形進行FFT變換。同理，計算退磁20%、退磁40%、退磁60%、退磁80%情況下負載工況的三相相電流并進行FFT變換，基波幅值及前13次諧波占基波百分比結果見表5和表6。

表5 定子A相電流基波幅值 A

表6 定子A相電流各次諧波占基波百分比 %

永磁材料退磁引起電機內部磁場減弱，負載不變情況下，為獲得與負載平衡的電磁轉矩，必然會使得功角增加和電流增大。在不改變功角的前提下，定子電流將大幅提高。同時，從FFT變換結果可以看出，3次諧波和7次諧波占基波分量的百分比增加，特別是3次諧波含量增加明顯。因此，當定子電流增加和3次諧波含量增加也可以作為診斷永磁同機電機出現退磁現象的依據之一。

4 結論

退磁故障診斷的核心是通過對電機內部信號進行分析，提取能表征退磁故障的簡單、顯著的特征量。當永磁同步電機出現退磁現象時，必然會導致磁通密度的下降，從而引起電機內部各特征參數的變化。通過分析電機各特征參數，可判斷永磁體是否發生退磁現象，而其中最直觀的體現是反電動勢和相電流，可通過外電路進行檢測與診斷。永磁體退磁分為可回復退磁和不可逆失磁，通過對電機內部特征的檢測與診斷，判斷當出現不可逆失磁故障時，進行及時充磁，避免永磁體持續失磁惡化，保證電動機運行的穩定性、可靠性和安全性。