考慮溫度特性的永磁電機(jī)建模及退磁分析*

劉 麥

（1.海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?571127；2.海南省智能電網(wǎng)裝備工程研究中心，海南 ?？?571127）

永磁體是永磁電機(jī)的重要組成部分，作為勵(lì)磁磁極為電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供磁場(chǎng)。由于永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，永磁材料高剩磁、高矯頑力的優(yōu)點(diǎn)，以及永磁材料開采、提煉、加工技術(shù)的提高，永磁電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。永磁體的磁性能直接關(guān)系著永磁電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，然而永磁材料本身也存在著磁性能穩(wěn)定問(wèn)題，在溫度、電流、振動(dòng)等因素下會(huì)出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，甚至發(fā)生不可逆失磁[3]。不可逆失磁使電機(jī)性能急劇下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電機(jī)停轉(zhuǎn)，影響電機(jī)的可靠性，特別是對(duì)于電動(dòng)汽車而言，直接影響著行駛安全性。因此，對(duì)電機(jī)永磁體磁性能及退磁分析就顯得十分重要。目前，永磁材料性能優(yōu)良的是NdFeB，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)中應(yīng)用廣泛[4]，N38SH是一種常用于永磁電機(jī)的稀土永磁材料牌號(hào)，本文采用N38SH材料的永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真建模計(jì)算。

1 永磁體的溫度特性

圖1 N38SH退磁曲線

退磁曲線是表征永磁材料特性的重要特性曲線，包括退磁曲線和內(nèi)稟退磁曲線，如圖1所示。退磁曲線表示永磁材料被完全磁化后無(wú)外勵(lì)磁時(shí)的磁通密度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系，特征參數(shù)剩磁Br表示去掉充磁磁場(chǎng)后材料的剩余磁場(chǎng)，矯頑力Hcb表示磁性材料抵抗退磁的能力。內(nèi)稟退磁曲線是在外磁場(chǎng)作用下被磁化后產(chǎn)生的內(nèi)在磁感應(yīng)強(qiáng)度，表征永磁材料內(nèi)在磁性能，主要影響磁鐵材料穩(wěn)定性，特征參數(shù)內(nèi)稟矯頑力Hcj與稀土永磁體的溫度穩(wěn)定性密切關(guān)系，內(nèi)稟矯頑力越高，溫度穩(wěn)定性越好[5]。

NdFeB稀土永磁材料退磁曲線因溫度的不同而有所變化，牌號(hào)N38SH的稀土永磁材料最高工作溫度150℃。低溫環(huán)境下退磁曲線在第二象限接近直線，可簡(jiǎn)化為線性關(guān)系進(jìn)行仿真計(jì)算。而溫度升高時(shí)，在第二象限將出現(xiàn)拐點(diǎn)，B-H曲線為非線性關(guān)系。

2 考慮溫度特性的永磁電機(jī)建模

利用Ansys仿真軟件的Maxwell模塊建立模型，通過(guò)Maxwell 2D材料屬性中輸入不同溫度的退磁曲線或內(nèi)稟退磁曲線進(jìn)行分析即可仿真計(jì)算在此溫度時(shí)的電機(jī)性能及分析不同溫度下電機(jī)性能的差異。為減小計(jì)算量，根據(jù)電機(jī)48槽8極、呈現(xiàn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取1/8結(jié)構(gòu)用于仿真計(jì)算，并對(duì)定子、轉(zhuǎn)子、永磁體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)仿真模型

仿真計(jì)算20℃和150℃下永磁電機(jī)的性能，從而對(duì)比分析溫度特性下永磁電機(jī)的退磁現(xiàn)象。20℃時(shí)，永磁材料退磁曲線簡(jiǎn)化為線性關(guān)系，通過(guò)輸入Hcb和Br確定，Hcb為917kA/m，Br為1.23T。150℃時(shí)，材料庫(kù)中將永磁材料相對(duì)磁導(dǎo)率類型改為非線性，輸入非線性內(nèi)稟退磁曲線，如圖3所示。激活永磁體溫升特性，根據(jù)永磁材料廠家提供的溫度系數(shù)α=-0.1和β=-0.6，定義磁通和磁場(chǎng)的溫升函數(shù)分別為1.0-0.001*(Temp-20)和1.0-0.006*(Temp-20)。

圖3 N38SH 150℃B-H內(nèi)稟退磁曲線

3 溫度特性對(duì)永磁電機(jī)的退磁影響

分別計(jì)算空載無(wú)外部激勵(lì)時(shí)，20℃和150℃退磁曲線下的磁通密度云，如圖4所示。從仿真結(jié)果看，采用20℃和150℃退磁曲線時(shí)永磁體的磁通密度分布大致相同。20℃退磁曲線下永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.075 6T～1.226 9T之間，而150℃時(shí)永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.940 8T～1.060 6T之間。因此，溫度的升高使得永磁體的整體磁場(chǎng)變?nèi)?，磁性能下降?/p>

圖4 空載磁通密度云

圖5 空載磁鏈

磁鏈?zhǔn)请娏骰芈匪湱h(huán)的磁通量，空載時(shí)磁鏈呈標(biāo)準(zhǔn)的正弦波波形，諧波含量低，如圖5所示。20℃退磁曲線下磁鏈峰值為0.173 7Wb，而150℃時(shí)磁鏈峰值為0.146 9Wb。隨著溫度的升高，磁鏈減小。根據(jù)磁鏈公式Ψ=Nφ可知，磁鏈Ψ與線圈匝數(shù)N和穿過(guò)線圈各匝的平均磁通量φ成正比例關(guān)系，與仿真計(jì)算的磁感應(yīng)強(qiáng)度結(jié)果相匹配。

空載反電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)空載氣隙磁場(chǎng)與電樞繞組進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，反映電機(jī)在無(wú)外部激勵(lì)時(shí)氣隙磁通的分布情況。給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000rpm，20℃退磁曲線下電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)峰值為226.6749V，150℃退磁曲線下空載反電動(dòng)勢(shì)峰值為193.404 7V，如圖6所示。由公式ei=Tω可知，當(dāng)輸入電流不變時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)下降將引起電磁轉(zhuǎn)矩T的下降。

圖6 空載反電動(dòng)勢(shì)

恒轉(zhuǎn)速負(fù)載下，給定電機(jī)峰值250A、頻率50Hz的正弦交流電流源，仿真計(jì)算不同溫度下的轉(zhuǎn)矩值變化，如圖7所示。20℃退磁曲線下平均轉(zhuǎn)矩值為248.595 8N·m，而150℃時(shí)平均轉(zhuǎn)矩值為169.311 8N·m。可知，溫度升高導(dǎo)致的退磁使得永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出嚴(yán)重下降，將導(dǎo)致電機(jī)性能下降，輸出不足。如果出現(xiàn)不可逆失磁，嚴(yán)重時(shí)電機(jī)將不能驅(qū)動(dòng)負(fù)載甚至被燒毀，對(duì)電機(jī)危害很大。

圖7 負(fù)載轉(zhuǎn)矩

4 結(jié)論

導(dǎo)致永磁體失磁的因素很多，高溫是其重要的一個(gè)因素。通過(guò)運(yùn)用Ansys的Maxwell模塊對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真分析計(jì)算，驗(yàn)證了溫度的升高將導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱，磁性能降低，在恒定負(fù)載下時(shí)要求輸出的電磁功率不變，電機(jī)性能下降必然會(huì)使功率角增大和電流增加來(lái)輸出負(fù)載所需電磁力矩。而功率角增大和電流增加，電機(jī)的鐵損和銅損都會(huì)增加，溫度進(jìn)一步升高，最終導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障。因此，電機(jī)工作過(guò)程中需注意工作溫度，采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施，保障電機(jī)工作在合適的溫度環(huán)境。