永磁電動機永磁體防退磁技術(shù)研究綜述

師 蔚，貢 俊，黃蘇融

(1上海大學，上海200072;2上海工程技術(shù)大學，上海201620;3上海電驅(qū)動有限公司，上海200240)

0引 言

永磁材料由于其固有特性，經(jīng)過預(yù)先磁化以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場。將永磁材料應(yīng)用在電機上，因無需無功勵磁電流，可得到較高的功率因數(shù)，減少定子電流和定子電阻損耗，在額定負載范圍內(nèi)可以保持較高的效率。隨著高性能永磁材料的應(yīng)用，永磁電動機的體積和質(zhì)量都有較大的減少，功率密度大幅度提升［1］。

20世紀80年代出現(xiàn)的釹鐵硼永磁材料，具有較高的最大磁能積(BH)max、剩磁Br和矯頑力Hc。釹鐵硼作為采用最多的永磁體材料，雖然性能令人滿意，但也有其不足之處，即溫度特性差，具體體現(xiàn)在居里溫度較低、溫度系數(shù)高兩方面［2］。因此永磁電動機在使用過程中，永磁體可能存在不可逆退磁現(xiàn)象，電機的性能有所下降甚至完全失去驅(qū)動能力，永磁電動機永磁體的安全可靠使用成為永磁電動機亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文在系統(tǒng)闡述永磁體退磁機理的基礎(chǔ)上，綜述了永磁電動機永磁體防退磁的靜態(tài)預(yù)防方案及動態(tài)監(jiān)測方案，分析比較了這幾種典型的方案，針對兩種方案的研究現(xiàn)狀和不足，探討了永磁電動機永磁體防退磁技術(shù)的發(fā)展趨勢和研究方向。分析表明必須對永磁電動機永磁體防退磁技術(shù)進行深入研究，從而使永磁電動機安全、有效應(yīng)用。

1永磁體退磁機理

多數(shù)鐵磁金屬及鐵磁性稀土金屬的原子都有固有的原子磁矩，在居里溫度以下，在強磁材料的相鄰兩個原子的電子存在交換作用，使一個小區(qū)域內(nèi)的原子磁矩同向平行排列，達到一定程度的磁化，這些小區(qū)域稱為磁疇。當施加外磁場時，磁疇的磁矩就轉(zhuǎn)向外磁場方向，顯示較強的磁性。

當永磁體處于退磁場中時，磁感應(yīng)強度沿著退磁曲線下降。不同的永磁體材料具有不同的退磁曲線，以釹鐵硼永磁材料為例，其在常溫或者較低溫度下，退磁曲線為一直線，且回復線與退磁曲線的直線段基本重合。但在溫度較高的情況下，退磁曲線的上半部分為直線，而當退磁場強度超過一定值后，退磁曲線就急劇下降，下半部分開始拐彎，開始拐彎的點稱為拐點(又稱為膝點)。當退磁磁場強度超過拐點后，新的回復線就不再與退磁曲線重合了。這樣當退磁磁場強度消失后，永磁體的剩余磁感應(yīng)強度Br將下降，發(fā)生不可逆退磁［3］。

影響永磁體發(fā)生不可逆退磁的主要因素有溫度、外磁場、化學、射線、振動、時效等。

1．1永磁體外磁場及溫度退磁機理

外磁場使永磁體的退磁主要是由磁疇的磁化與反磁化過程決定。當退磁場強度達到一定值后，永磁體內(nèi)的磁疇將發(fā)生疇壁位移及磁矩轉(zhuǎn)動到反磁化場方向，形成不可逆的轉(zhuǎn)動，即使當退磁場消失，永磁體內(nèi)的磁疇磁矩不能回到原來磁矩方向，即產(chǎn)生不可逆退磁。

而溫度對永磁體的影響主要來自于熱運動，物理學研究表明任何微觀粒子都處于熱運動中，熱運動使各原子的磁矩方向不斷地、無規(guī)則地變化。當溫度較低時永磁材料的相鄰兩個原子的電子交換比熱運動的影響大得多，當溫度上升到一定程度時，磁矩在熱運動作用下的空間取向?qū)l(fā)生變化，產(chǎn)生不可逆退磁。

1．2永磁體化學、振動、時效退磁機理

受酸、堿、氧氣和氫氣等化學因素作用，永磁材料內(nèi)部或化學表面化學結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，將嚴重影響材料的磁性能，造成永磁體的不可逆退磁。所以一般在生產(chǎn)過程中需要采取各種工藝措施，以防止氧化等，同時在成品表面敷保護層來提高抗腐蝕能力［4］。

永磁體在受到劇烈振動之后，有可能引起其內(nèi)部磁疇發(fā)生變化，磁疇的磁矩方向發(fā)生變化后，磁鋼磁性能會變差，就會造成磁鋼退磁甚至不可逆失磁。

永磁體隨時間的磁通損失與所經(jīng)歷時間的對數(shù)基本上成線性關(guān)系。因此，電機永磁體是有使用壽命的，當使用一定的年限之后，磁鋼也會失磁，但釹鐵硼永磁材料磁性能隨時間的變化很小。

永磁體的失磁，常常是幾種退磁機理共同作用的結(jié)果。永磁體使用條件不同，各種退磁機理產(chǎn)生的效果也不同。如在航空技術(shù)中應(yīng)用時，振動、溫度等是主要的退磁原因，而新型電動車技術(shù)上使用時化學、振動、時效失磁在一般工作條件下對永磁體失磁影響并不突出，而溫度、外磁場是永磁電動機產(chǎn)生不可逆失磁的主要因素;特別是高密度永磁電動機，散熱條件苛刻，電樞反應(yīng)強烈，溫度及外磁場環(huán)境更加惡劣。

2防退磁靜態(tài)預(yù)防方案

靜態(tài)預(yù)防方案是從電機設(shè)計角度出發(fā)，優(yōu)化磁路，降低永磁體退磁風險。而靜態(tài)預(yù)防技術(shù)在分析方法上又分為磁網(wǎng)絡(luò)分析法、有限元分析法、磁場重建法、多領(lǐng)域綜合仿真分析方法。

2．1磁網(wǎng)絡(luò)分析法

永磁電動機磁網(wǎng)絡(luò)分析法，以磁通管理論為基礎(chǔ)，將永磁電動機中材料相同、磁通分布較均勻、形狀較規(guī)則的部分等效為一個磁導單元，而各磁導單元之間通過節(jié)點連接。通過利用磁網(wǎng)絡(luò)方程與電網(wǎng)絡(luò)方程的相似性，即可求出磁網(wǎng)絡(luò)方程中各節(jié)點的磁位、磁通及進而求得有關(guān)參數(shù)。與有限元分析相比，磁網(wǎng)絡(luò)方程的節(jié)點數(shù)與運算時間都大大減少。

在優(yōu)化永磁電動機設(shè)計及動態(tài)分析過程，磁網(wǎng)絡(luò)法被廣泛應(yīng)用于永磁電動機磁場分析，從而確定永磁體的工作點，進而得到永磁體退磁模型。但多數(shù)分析中將整個永磁體等效為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點［5］，并不能考慮到永磁體發(fā)生的部分退磁現(xiàn)象，分析結(jié)果有一定的局限。并且因磁網(wǎng)絡(luò)分析法屬于典型的集中參數(shù)法，其中含有許多經(jīng)驗公式、修正及系數(shù)，造成計算結(jié)果與實際情況有一定的誤差。且應(yīng)用于結(jié)構(gòu)較復雜的永磁電動機模型時，磁網(wǎng)絡(luò)分析法需要更多的節(jié)點來提高其準確性。但由于單元磁導與尺寸常數(shù)的關(guān)系、快速計算時間，可以為快速優(yōu)化設(shè)計提供方向。

2．2磁場有限元分析法

磁場有限元分析方法為一種數(shù)值計算磁場方法，計算精度高，廣泛應(yīng)用于永磁電動機磁場分析，從而用來分析永磁體的退磁現(xiàn)象，進而進行優(yōu)化設(shè)計。

漢陽大學Kyu-Yun Hwang提出通過設(shè)定永磁電動機最大工作溫度及最大電樞電流，仿真計算永磁體是否發(fā)生退磁，如果發(fā)生了全面退磁，則增加永磁體厚度;如果僅發(fā)生了部分退磁，則通過優(yōu)化永磁電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，預(yù)防退磁，這一設(shè)計流程為永磁電動機優(yōu)化設(shè)計，靜態(tài)防退磁提供思路［6］。

文獻［7］從防退磁角度比較了內(nèi)置式永磁電動機“一”字型、“V”字型、雙層永磁體三種不同的永磁體布置方案，得出在產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時，“一”字型永磁體最容易產(chǎn)生退磁，在短路電流故障情況下，“V”字型永磁體最容易產(chǎn)生退磁，而雙層永磁體布置結(jié)構(gòu)則在防退磁方面最不易退磁，從防退磁角度為永磁電動機永磁體結(jié)構(gòu)布置提供了方案參考。

在優(yōu)化永磁電動機磁路，防止永磁體發(fā)生退磁方面，文獻［6］同時對內(nèi)置式永磁電動機轉(zhuǎn)子鐵心及隔磁橋的4個結(jié)構(gòu)參數(shù)同時進行優(yōu)化設(shè)計，通過最速下降法和響應(yīng)面法找到最優(yōu)設(shè)計點，達到在不增加永磁體厚度的條件下，減小外磁場對永磁體的影響，達到改善防退磁能力及減小齒槽轉(zhuǎn)矩的目的，為研究同時優(yōu)化多個永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)提供參考。

上述優(yōu)化設(shè)計與去磁分析通常在設(shè)計最大溫度下進行，而很多學者從降低永磁體工作溫度，從而降低去磁風險角度進行永磁電動機防退磁的優(yōu)化設(shè)計。即可從降低永磁體渦流損耗角度進行優(yōu)化設(shè)計，從而間接防止永磁體退磁。文獻［8-9］通過對永磁體的軸向分塊進行三維有限元仿真，得出永磁體表面渦流損耗減少，從而降低永磁體工作溫度的結(jié)論。仿真分析并從軸向磁鋼分塊之間的絕緣、分塊數(shù)量、頻率、諧波對渦流損耗的影響一系列的研究，為永磁體軸向分塊方法提供了參考方向。

2．3磁場重建法

磁場重建法(Field reconstruction method，F(xiàn)RM)是一種能夠節(jié)約計算時間，確定永磁電機磁場分布的方法。首先由美國德克薩斯大學Babak Fahimi，Amir Khoobroo等人提出，與有限元法比較具有相對高的準確性，但可以大大縮短計算時間。該利用有限元法分別計算定子單個槽繞組施加電樞電流及永磁體在電機中產(chǎn)生的磁場分布特征值，同時根據(jù)電機幾何參數(shù)關(guān)系通過磁密疊加的方法，重建永磁電機磁場分布，從而分析永磁體的退磁特性［10］。

磁場重建分析方法因能夠得到永磁電機在任意位置的磁密分布，因而被廣泛應(yīng)用與永磁電機永磁體退磁分析中，但磁場重建及磁場分析法方法在計算磁場分布方面，雖然能夠節(jié)約計算時間，對永磁電機的反復優(yōu)化設(shè)計方面具有優(yōu)勢，但其磁場重建時使用磁場相疊加，不易考慮磁飽和因素，對于磁飽和效應(yīng)非常強烈的永磁電機，如高密度永磁電機本方法并不適合。

2．4多領(lǐng)域綜合仿真分析法

在目前研究中，永磁電動機永磁體的退磁原因主要為溫度和外磁場的主要作用，在運行過程中溫度的上升通常由電機內(nèi)部的損耗及散熱條件決定。因此，學者在分析永磁電動機永磁體退磁時將電磁仿真、損耗仿真及流體散熱仿真等相結(jié)合，進行了多領(lǐng)域的綜合仿真分析，從而研究永磁體的退磁現(xiàn)象及改善措施。

文獻［11］在永磁電動機永磁體去磁分析中，將熱力學模型在退磁計算中考慮。即將電磁仿真模型與損耗模型相結(jié)合，在固定負載情況下對永磁電動機進行實步法動態(tài)仿真。其仿真思路為，當永磁體發(fā)生退磁時，需要改變功率角來提供固定轉(zhuǎn)矩，隨著功率角的變化將會需要更多的定子電流及帶來更多的損耗，這些損耗會帶來溫度的上升，隨著溫升增加，這將引起更加嚴重的永磁體退磁，嚴重時有可能導致電機停轉(zhuǎn)。該文獻的研究成果為在多領(lǐng)域綜合靜態(tài)仿真提供了參考。

沈陽工業(yè)大學王鳳翔教授在文獻［12］中對高速永磁電動機進行防退磁研究，主張從降低損耗及改善散熱條件角度改善永磁體退磁現(xiàn)象。文中對不同定子槽數(shù)下的高速永磁電動機進行了轉(zhuǎn)子損耗、渦流損耗、風阻損耗等進行了比較分析，得出了綜合損耗較小的設(shè)計原型。同時研究了不同散熱結(jié)構(gòu)下，流體速度對永磁體溫度的影響，并進行了流體仿真分析。該論文為電磁仿真與流體仿真相結(jié)合研究永磁體退磁現(xiàn)象提供了參考。

3防退磁動態(tài)監(jiān)測技術(shù)

永磁電動機的永磁體退磁研究不僅在設(shè)計過程中進行仿真研究，防止永磁體退磁，很多學者還研究在電機運行中，即使用中進行動態(tài)監(jiān)測永磁體的狀態(tài)，從而預(yù)防發(fā)生的退磁現(xiàn)象。而動態(tài)監(jiān)測技術(shù)則又分為開環(huán)動態(tài)監(jiān)測及動態(tài)監(jiān)測輔助閉環(huán)控制兩種類型。前者僅通過永磁電動機的相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)測，進而間接得到永磁體的狀態(tài)信息，并不采取閉環(huán)控制;后者則監(jiān)測間接得到的永磁體狀態(tài)信息，同時根據(jù)其狀態(tài)信息進行動態(tài)控制，以防止發(fā)生更嚴重的退磁。

3．1開環(huán)動態(tài)監(jiān)測

對永磁體狀態(tài)進行監(jiān)測時，文獻［13］提出了一種利用在發(fā)電工況下，對永磁電動機的定子電流進行傅里葉分解，如果出現(xiàn)0．5次及1．5次諧波，則判斷永磁體出現(xiàn)退磁，但此方法中的電流僅限于并聯(lián)繞組中的支路電流情況，對串聯(lián)繞組電流及并聯(lián)繞組總電流進行分析不能成立。并且該方法主要分析永磁電動機在發(fā)電工況下的永磁體狀態(tài)，對處于電動工況下的永磁體狀態(tài)監(jiān)測不具有適用性。

西班牙學者J．Rosero等人則利用提取永磁電動機在運行中定子電流信號，多年研究中，分別通過對該信號進行快速傅里葉變換、希爾伯特黃變換、連續(xù)小波變換、離散小波變換等多種信號處理方法進行處理，判斷永磁體是否發(fā)生退磁，從而完成永磁體退磁故障監(jiān)測［14-17］。

其中，在使用快速傅里葉變換進行定子電流及零序電流分析，在高速區(qū)域中，利用定子電流1、5次諧波反映永磁體是否發(fā)生退磁現(xiàn)象;在中速區(qū)域中，利用定子電流1、5、13、17次諧波反映永磁體是否發(fā)生退磁現(xiàn)象;在低速區(qū)域中，利用定子電流6、9次諧波反映永磁體是否發(fā)生退磁現(xiàn)象。

在使用希爾伯特黃變換進行定子電流分析中，首先對定子電流信號進行模態(tài)分解，得出本征模態(tài)函數(shù)，再對模態(tài)函數(shù)進行希爾伯特變換，得到希爾伯特譜，即時頻能量譜，從而分析永磁體是否發(fā)生退磁

使用小波變換(包括連續(xù)小波變換及離散小波變換)對永磁電動機永磁體退磁研究中，進行定子電流分析。研究顯示連續(xù)小波變換能夠降低數(shù)據(jù)信號參數(shù)從而判斷是否發(fā)生退磁，適用于工業(yè)快速檢測中使用;而離散小波變換因為含有定子電流信號的整個頻譜信息，所以能夠得到更精確的檢測結(jié)果。

同時，該研究團隊經(jīng)過多年研究，西班牙學者J．Rosero等人對定子電流信號分析，進行永磁體退磁故障監(jiān)測得出以下結(jié)論:

(1)快速傅里葉變換丟失了時間信息，所以不能用于監(jiān)測動態(tài)情況下的電機失磁;

(2)使用希爾伯特黃變換得到的時間-頻域能量譜分析方法在失磁動態(tài)檢測過程中，僅適用于速度變化較慢的情況;

(3)小波分析能夠解決轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩快速變化時的動態(tài)檢測，是較好的失磁分析的工具。

但上述分析方法僅對永磁體發(fā)生退磁進行動態(tài)監(jiān)測，并沒有反饋控制等相應(yīng)應(yīng)對方法。

3．2動態(tài)監(jiān)測輔助閉環(huán)控制

文獻［18］提出了一種“D狀態(tài)觀測器”用來觀測永磁轉(zhuǎn)子磁鏈，具有需要穩(wěn)態(tài)信息少，應(yīng)用速度范圍廣等特點。文獻［19］提出一種改進的反電動勢法間接觀測永磁轉(zhuǎn)子磁鏈，僅限應(yīng)用于中、高速場合。上述方法目前主要應(yīng)用于無位置傳感器的永磁電動機控制領(lǐng)域，但可將其應(yīng)用于觀測永磁磁鏈模型間接估計永磁體狀態(tài)信息，從而防止永磁體發(fā)生更嚴重的退磁。

文獻［20］則直接提出一種永磁同步電機永磁體磁場狀態(tài)在線監(jiān)測方法，該方法使用定子電流和永磁體磁鏈作為狀態(tài)變量，構(gòu)建了卡爾曼濾波器用來估算永磁體磁鏈幅值和方向，從而作為永磁體磁鏈觀測器，用于永磁電動機的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，通過調(diào)整d-q軸定向、電壓極限環(huán)等參數(shù)，從而防止永磁體發(fā)生更嚴重退磁。該研究為動態(tài)監(jiān)測永磁體狀態(tài)，并進行閉環(huán)控制提供了參考。

4防退磁技術(shù)發(fā)展趨勢

目前雖然對永磁電動機防退磁技術(shù)進行了大量的研究，但這些研究仍然存在一定的局限性，主要在于:

(1)對于靜態(tài)預(yù)防方案有助于從設(shè)計角度避免可能存在的失磁風險，但難以對電機運行中的不可逆退磁進行控制，屬于離線分析方法。

(2)對動態(tài)監(jiān)測方案可以動態(tài)監(jiān)測永磁體的狀態(tài)，但當監(jiān)測到永磁體磁場狀態(tài)有改變時，代表永磁體已經(jīng)發(fā)生不可逆退磁現(xiàn)象，只能動態(tài)防止電機退磁狀況的惡化，并不能防止永磁體不可逆退磁的發(fā)生。

因此，在永磁體防退磁技術(shù)方面有如下的發(fā)展趨勢:

(1)在靜態(tài)設(shè)計階段，趨向于根據(jù)永磁電動機的應(yīng)用特點進行永磁電動機的退磁機理分析，找出主要的退磁原因，從而對永磁電動機進行多領(lǐng)域的仿真分析，有針對性的將損耗模型、熱力模型、散熱模型、動力模型等與電磁分析相結(jié)合，充分考慮各種退磁因素對永磁電動機永磁體退磁的影響。

(2)在永磁電動機使用過程中，將永磁體的狀態(tài)監(jiān)測、散熱控制等納入永磁電動機控制系統(tǒng)中，與永磁電動機動態(tài)運行控制策略相融合，進行多領(lǐng)域協(xié)同控制，進行動態(tài)預(yù)防永磁體發(fā)生退磁。

5結(jié) 語

永磁電動機以其高功率密度、高效率在電動汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值，而永磁電動機永磁體的不可逆退磁影響了永磁電動機的有效使用。因此必須將永磁體防退磁技術(shù)應(yīng)用于永磁電動機設(shè)計及使用階段中，預(yù)防永磁體發(fā)生不可逆退磁。這將對提高永磁電動機的可靠性，從而拓展永磁電動機在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的研究意義。

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