基于ANSYS的永磁同步電機退磁仿真分析

宋磊　宋英杰

摘 要：文章以永磁同步電動機為研究對象，對其常見的永磁體退磁問題提出了一種有限元退磁仿真思路，在實際惡劣工況下對電機進行退磁分析。首先，利用有限元模擬惡劣工況，通過仿真電機永磁體的磁密云圖，得到最小磁密值位置。然后，通過對最小磁密處永磁體工作點的監測，得到永磁體的退磁回復曲線。仿真結果發現，永磁體工作點低于拐點，未能沿著BH曲線返回，而是沿著新的回復曲線上升，故電機在惡劣工況下永磁體會發生局部不可逆退磁情況。

關鍵詞：有限元;退磁曲線;N38SH;永磁體

中圖分類號：TM351;TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）04-001-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.001

永磁體作為永磁電機的重要組成部分，擔負著為電機提供磁場的重任。然而永磁體一旦發生退磁，將對電機性能產生很大影響，甚至毀壞電機。故電機永磁體的最大退磁點的尋找是尤為重要的，也是設計電機時的一個重要環節。為保證電機的長期高效運行，必須確保電機在惡劣工況下不會發生不可逆退磁的情況。因此，文章將通過有限元分析法，分析電機在惡劣工況下的退磁情況。

1 永磁體退磁分析方法

1.1 等效磁路法分析

等效磁路法的概念是把永磁體作為電路中的磁通源，對外提供電路的磁動勢與磁通。對外磁路中電機各部位的磁道進行計算，并通過反復迭代計算，最終確定電機永磁體的負載工作點b_mh。

這里b_mh的取值高于最高溫度下的永磁體材料退磁的拐點值，以計算最小的去磁動勢的標幺值f '_adh。然后，將電機的永磁體磁化方向長度hm和矯頑力Hc值帶入計算公式：

由此，求得電機去磁電流的最小值_Iadh。

以電機磁路法得到的最小去磁電流，能夠反映電機不同尺寸結構下的永磁體的抗退磁能力大小。這樣，就可以進行電機永磁體牌號選擇與尺寸設計。但是，這種方法計算的是電機永磁體的工作點平均值[1]，進而忽略了電機在大電流工況下磁路飽和后對電機永磁體的局部退磁的影響。大電流工況下的鐵心各部位磁通密度增加，電機的漏磁系數會發生相應的改變，磁路的磁阻也會增大。所以，這一方法是在磁導和漏磁系數不變的情況下計算的，這樣的計算精度會有誤差，需要依靠工作人員的豐富經驗進行修正，具有很大的局限性。

1.2 有限元法分析

在仿真分析時，通過有限元方法分析電機在運行情況下的轉子磁場的退磁情況。再仿真為得到電機的不可逆退磁情況，將永磁體材料的非線性BH曲線作為輸入值，然后進行反復迭代計算，得出電機的最小磁密工作點值。最后，通過場計算器得出電機永磁體材料的回復曲線，從而判斷永磁體的退磁情況。對于有限元的計算方法，能夠精確得出仿真結果和圖形，但是仿真過程較慢，一般需要較為復雜的設置過程與較高的準確模型。

2 永磁體退磁機理

文章涉及的電機，使用永久性磁鐵勵磁，通電線圈會對轉子上的永磁體形成去磁效應。電機在正常運轉時，由于電機運轉電流較小，定子繞組產生的磁場強度并不足以令永磁體退磁;但是，當電機發生過載等情況時，會引起電流突然增加，電勵磁繞組增加勵磁，從而導致永磁體發生不可逆退磁，使電機的可靠性和效率等降低。因此，在電機的各種工況下，需避免永磁體發生不可逆退磁。

永磁材料的特性會受溫度等因素的影響，永磁體在不同溫度下的退磁曲線是不相同的，矯頑力、剩磁等的參數也不一樣。永磁體的熱穩定性指的是，電機永磁體磁性能受溫度變化影響程度的大小。假設電機永磁體在正常室溫下，溫度t0時刻的剩磁密度為Br0，溫度變化后的t1時刻，剩磁密度Br1為：

3 永磁體工作點的確定

永磁體工作點的大小可以判定永磁體是否退磁。為確保電機不失磁，研究永磁體工作點是極其重要的。永磁體內的單元不同，對應的工作點也不同，進而失磁與否，與電機永磁體沖磁方向上每個單元的磁密大小相關[3]。因此，需要求解該單元磁化方向的磁密作為工作點，其表達式為：

電機永磁體的工作點中，a點的θ₁小于90°，該處工作點為負;b點的θ₁大于90°，該處工作點為正。通過判定永磁體最小工作點是否在拐點之下，判斷電機是否發生不可逆退磁現象。

N35SH型號的永磁材料，在常溫下的剩余磁感應強度Br為1.2 T，矯頑力可達892 kA/m，最大磁能積可達379 kJ/m³。假設文章涉及電機退磁是在150 ℃下仿真的，該品牌的磁鋼材料在150 ℃下的工作拐點在0.44 T左右[4]。

不可逆退磁是通過仿真使電機的電樞電流發生過流時，分析永磁體的最小磁密值是否低于該溫度下對應永磁材料的拐點磁密值，進而判斷出電機是否發生不可逆退磁，并分析對應磁密工作點的退磁曲線能否恢復初始狀態[5]。

4 退磁模型設定及流程

為保證電機的可靠運行，現模擬該公司這類電機實際運行時出現的電機失控現象，進行惡劣工況下的退磁校驗。文章電機所用的永磁體是N35SH釹鐵硼燒結永磁材料，其最大工作溫度為150 ℃，居里溫度在320 ℃。永磁電機永磁體的退磁一般是由d軸上的電流導致的，而q軸電流既不起到去磁作用，也不起到助磁作用。因此，為了模擬惡劣狀況下的退磁情況，在d軸上施加與d軸正方向相反的電流矢量，即去磁電流。考慮到電機的控制器功率的限制，將dq軸的合成電流矢量幅值設置為其額定電流矢量幅值的2.5倍。

5 永磁體退磁狀況分析

仿真分析后[2]，通過分析各時間點的磁密云圖中的最小磁密值，進而找到仿真周期內的最小磁密值。最小磁密點永磁體的磁密云圖如圖1所示，最小磁密為0.3295 T，這臺電機至少有部分磁鋼工作點低于150 ℃下永磁體退磁曲線的拐點值[6-8]，發生了退磁。3D4FD0A0-A9F3-48F5-A16F-17CAE6037758

為了更好地觀察永磁體在該情況下是否發生不可逆退磁，在前文觀察到的永磁體最小磁密處插入一段線如圖2所示，監測該處退磁情況，檢測線方向與永磁體的沖磁方向要保持一致。

為獲得該處磁密工作點運動軌跡，通過場計算器計算得出如圖3所示的永磁體退磁回復曲線。從圖中可知，永磁體磁密出現小于拐點值，在低于拐點值后未能沿BH曲線返回，而是沿著另一曲線上升。故在加上最惡劣工況條件后，永磁體發生了不可逆退磁。

由于電機的空載反電勢的試驗測試精度相對較高，反電勢的對比較為直觀，如圖4所示。因此，以下分析對比退磁前后電機反電勢的影響情況，通過在退磁模型上復制原模型的工作點，然后計算退磁后的反電勢。

從圖4可以看出，退磁后電機空載反電勢的幅值小于正常運行狀態下空載反電勢的幅值。這是因為電機永磁體發生退磁后，永磁體的勵磁能力降低，電機內的磁場減小。此外，電機的空載反電勢與空載主磁通和剩余磁通密度成正比關系。電機一旦發生退磁之后，電機永磁體的工作點下移，空載時的主磁通降低，進而會導致電機空載反電勢的降低。

6 結語

文章主要是比較永磁體各處的最小磁通密度值與退磁曲線中拐點磁密值，判斷電機是否會發生退磁，然后通過監視最小磁密處的工作點運動軌跡判定是否是不可逆退磁。

首先，根據電機所用控制器輸出的最大電流限制，加入電樞電流為2.5倍額定電流且電樞電流為去磁方向，進行電機在150 ℃下的仿真分析。

然后，通過提取該仿真的各時間段下的磁密云圖的最小磁密，比較拐點磁密值，得出永磁體會發生局部退磁的位置，通過場計算器仿真最小磁密處的退磁工作點的運動情況，判定該電機在退磁條件下會發生局部不可逆退磁。

最后，仿真分析退磁前后的反電勢對比，得出退磁比例情況。

參考文獻

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