高密度永磁電機(jī)永磁體防退磁技術(shù)的分析

邱寅晨

（1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)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(jī)永磁體防退磁技術(shù)的分析

邱寅晨1，2

（1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)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(jī)制，基于退磁原理，建立了退磁模型，并設(shè)計(jì)了高密度永磁電機(jī)防退磁方案。通過實(shí)驗(yàn)的方法，驗(yàn)證了防退磁方案的可行性，證實(shí)了防退磁方案的推廣價(jià)值。

高密度永磁電機(jī)；永磁體；防退磁技術(shù)

高密度永磁電機(jī)在電動汽車、煤礦、電廠以及化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，由永磁體提供勵(lì)磁，無需電網(wǎng)提供勵(lì)磁電流，定子電流下降，定子銅損耗減小，功率因數(shù)提高，電機(jī)同步速運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有轉(zhuǎn)差，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子幾乎沒有電流，故沒有轉(zhuǎn)子銅損耗，因此具有效率高、體積小、反應(yīng)快、功率因數(shù)高、運(yùn)行電流小、溫升低、節(jié)能效果顯著的特點(diǎn)。但受環(huán)境溫度等因素的影響，電機(jī)退磁問題顯著存在，對機(jī)械使用安全性造成的影響較大。研究永磁體防退磁技術(shù)是解決上述問題的方法。

1 永磁體退磁機(jī)制

磁性材料需以原子的固定電子結(jié)構(gòu)為依靠保持磁性。受溫度、外磁場、化學(xué)以及振動等因素的影響，永磁體的電子結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，致使退磁問題發(fā)生：（1）溫度：溫度的變化與永磁體磁性的變化負(fù)相關(guān)。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(wěn)磁場以及突變磁場兩種。恒穩(wěn)磁場對永磁體磁性的影響相對較小。當(dāng)永磁體最初工作點(diǎn)較突變磁場高時(shí)，永磁材料容易發(fā)生退磁現(xiàn)象，反之則否。（3）化學(xué)：永磁體與酸、堿等化學(xué)物質(zhì)接觸后，材料中的鐵可發(fā)生銹蝕，磁性隨之下降。（4）振動：永磁體磁疇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，遇振動后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會受到影響，導(dǎo)致退磁矩能量發(fā)生擺動，致使退磁問題發(fā)生。

2 高密度永磁電機(jī)永磁體防退磁技術(shù)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(jī)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(zhuǎn)彎、負(fù)載等，工況較為復(fù)雜。（2）低速區(qū)對彎矩要求高。（3）動力結(jié)構(gòu)集成性強(qiáng)，體積小。（4）對機(jī)械強(qiáng)度要求高。（5）電能的利用率與電動汽車的行駛里程正相關(guān)，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(jī)原型設(shè)計(jì)

（1）確定電機(jī)轉(zhuǎn)子類型。（2）估算電機(jī)尺寸。（3）評估電機(jī)能力指標(biāo)。（4）確定極弧系數(shù)。（5）計(jì)算電機(jī)概念。

2.1.3 退磁模型

（1）建立等效磁網(wǎng)格單元。（2）構(gòu)建定子網(wǎng)絡(luò)模型。（3）在考慮溫度的基礎(chǔ)上，建立轉(zhuǎn)子磁網(wǎng)絡(luò)模型。（4）建立氣隙磁網(wǎng)絡(luò)模型。

2.2 防退磁設(shè)計(jì)

2.2.1 多因素觀測器設(shè)計(jì)

根據(jù)外磁場及溫度的不同，永磁體的工作狀態(tài)也不盡相同。因此，需將與永磁體磁性有關(guān)的多種因素，作為觀測器設(shè)計(jì)的主要影響因素加以控制，以實(shí)現(xiàn)對不同因素的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高防退磁技術(shù)水平。

2.2.2 熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型

熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型建立方法如下：（1）根據(jù)溫度的不同功能，將水冷基座劃分為不同節(jié)點(diǎn)，使部分熱量可進(jìn)入到冷卻循環(huán)環(huán)節(jié)，使水得到冷卻。其余熱量可通過電機(jī)機(jī)體散發(fā)到外部。（2）定子屬于永磁電機(jī)的主要組成部分，一般由鐵芯及繞組兩部分構(gòu)成，兩者均屬于熱源的主要損耗者。鐵芯溫度節(jié)點(diǎn)一般處于齒部附近。（3）繞組端部處于機(jī)組端部之中，當(dāng)永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子鐵芯、繞組可發(fā)生熱傳遞。鑒于電機(jī)結(jié)構(gòu)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(lián)，可得到不同的軸承模塊。（5）應(yīng)將轉(zhuǎn)子鐵芯的溫度節(jié)點(diǎn)以及機(jī)座的溫度節(jié)點(diǎn)應(yīng)用到軸承熱網(wǎng)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(jì)算電樞繞組損耗：電樞即定子電樞。當(dāng)定子電流通過定子繞組后，電樞便會產(chǎn)生。需以定子電力及繞組參數(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)算電樞繞組損耗。（2）鐵芯損耗：當(dāng)永磁材料處于交變磁場中時(shí)，退磁問題較容易發(fā)生。導(dǎo)致上述問題出現(xiàn)的原因，與鐵芯的損耗存在聯(lián)系，因此需重點(diǎn)考慮鐵芯損耗問題。（3）受齒槽效應(yīng)的影響，永磁體容易產(chǎn)生渦流損耗?？稍谝阎S向長度、回路電阻等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算出渦流損耗。（4）軸承損耗：軸承損耗應(yīng)在已知軸承摩擦力矩及轉(zhuǎn)速等參數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算得出。

3 防退磁技術(shù)應(yīng)用效果驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)的方法，觀察了防退磁技術(shù)的應(yīng)用效果。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 同步電機(jī)模型

以永磁體溫度為基礎(chǔ)，建立同步電機(jī)模型：（1）假設(shè)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(zhuǎn)子的零位置。（3）假設(shè)定子繞組無漏磁問題。（4）在上述假設(shè)均成立的基礎(chǔ)上，建立永磁體同步電機(jī)模型（圖1）。

3.1.2 永磁體監(jiān)測器

（1）以永磁體觀測器為憑借，對電機(jī)加以控制。（2）以永磁體觀測器為憑借，建立矢量控制系統(tǒng)。（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺：永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以V字形為主。樣機(jī)90kW。

圖1 同步電機(jī)模型

3.1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電源、控制器、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成：（1）電源：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電源為直流輸入電源，可實(shí)現(xiàn)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(jī)控制器：由被測電機(jī)、逆變器以及控制器等部分構(gòu)成。（3）測功機(jī)及控制器：由測功機(jī)、逆變器以及控制器等部分構(gòu)成。（4）轉(zhuǎn)速傳感器：功能在于檢測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（5）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：將自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。被測電機(jī)以及測功機(jī)可發(fā)出控制指令，在獲取指令后，便可開始采集轉(zhuǎn)速以及溫度等方面的數(shù)據(jù)。（6）系統(tǒng)采用并網(wǎng)電測功電氣方案設(shè)計(jì)，測功機(jī)以及被測機(jī)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(jī)與測功機(jī)需處于不同的工況，如前者處于電動工況，后者則需處于發(fā)電工況中。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電機(jī)性能以及觀測器控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如下。

3.2.1 電機(jī)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電機(jī)性能結(jié)果如下：（1）通過對電機(jī)輸出矩性能的測試發(fā)現(xiàn)：當(dāng)工況處于峰值狀態(tài)下，且固定不變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力較強(qiáng)。（2）峰值工況與額定工況下，電機(jī)的輸出功率測試結(jié)果存在顯著差異。兩種工況下，功率變化規(guī)律大致相同，但對比可見，峰值工況下輸出功率更高。當(dāng)電機(jī)速度達(dá)到4000r/min時(shí)，峰值工況及額定工況下的功率均可達(dá)到最高。（3）通過對電機(jī)效率曲線的觀察可以發(fā)現(xiàn)，峰值工況與額定工況下，電機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀測器控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：（1）隨著永磁體運(yùn)行時(shí)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(shí)測溫度與預(yù)計(jì)溫度大體相同，兩項(xiàng)數(shù)據(jù)對比無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。（3）通過對永磁體觀測值驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的觀測發(fā)現(xiàn)：永磁體臨界溫度為180℃、磁場強(qiáng)度為560kA/m。（4）在工況為100N·m、4000r/min時(shí)，電機(jī)的升溫幅度較小，且較為平穩(wěn)。當(dāng)永磁體處于臨界工作狀態(tài)時(shí)，電流以及電壓基本已達(dá)到極限，此時(shí)永磁體難以正常工作。

3.3 小結(jié)

（1）受溫度以及外磁場等因素的影響，高密度電機(jī)永磁體出現(xiàn)退磁現(xiàn)象不可避免。永磁體退磁具有不可逆的特點(diǎn)。為提高高密度永磁電機(jī)的使用性能，加強(qiáng)對退磁的預(yù)防是關(guān)鍵。（2）針對高密度永磁電機(jī)建立退磁模型，是研究防退磁術(shù)的基礎(chǔ)。（3）設(shè)計(jì)電機(jī)原型，建立等效磁網(wǎng)絡(luò)模型，評估永磁體的防退磁能力，優(yōu)化永磁體參數(shù)，是提高永磁體防退磁技術(shù)水平的主要步驟。（4）采用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)的永磁體防退磁方案，具有經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、損耗小的特點(diǎn)，且能夠有效實(shí)現(xiàn)對永磁體磁性的保護(hù)。（5）永磁電動機(jī)的溫度以及觀測器，是影響退磁的主要因素，防退磁方案設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮上述問題。

4 結(jié)語

綜上，基于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的永磁體防退磁方案，防退磁效果好、磁性損耗小，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有較高的推廣價(jià)值。

[1]陳學(xué)永,劉力,王曉遠(yuǎn). 大功率電動摩托車驅(qū)動用高功率密度永磁同步電機(jī)損耗分析與計(jì)算[J]. 微電機(jī),2016,(04):21-26.

[2]張琪,魯茜睿. 多領(lǐng)域協(xié)同仿真的高密度永磁電機(jī)溫升計(jì)算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,(12):1874-1881.

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

TM351

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0094-02