電動(dòng)汽車(chē)用永磁電機(jī)設(shè)計(jì)及局部退磁特性分析

王一璇，鄭澤欽

天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387

0 引言

在能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻背景下，加快新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將有力保障能源安全、推進(jìn)節(jié)能減排。永磁同步電機(jī)因具有幾何尺寸小、功率重量比高、慣性低等優(yōu)勢(shì)，被應(yīng)用于新能源汽車(chē)、家用電器等眾多電氣設(shè)備領(lǐng)域[1-2]。釹鐵硼稀土永磁體被廣泛應(yīng)用于永磁同步電機(jī)中，我國(guó)釹鐵硼稀土永磁體作為永磁電機(jī)的重要組成部分大量出口[3-4]，因此開(kāi)發(fā)新型的、具有中國(guó)特色的高性能車(chē)用稀土永磁電機(jī)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)也具有重要意義。永磁體作為磁場(chǎng)源，為電機(jī)提供恒定磁場(chǎng)，是永磁同步電機(jī)的重要組成部分，其性能與電機(jī)的可靠性緊密相連，然而受汽車(chē)工況影響，如高溫、沖擊振動(dòng)等都會(huì)引起退磁故障，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能降低，影響電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行可靠性。因此，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與退磁分析將有助于提升永磁同步電機(jī)的使用安全性。

1 車(chē)用電機(jī)永磁體退磁機(jī)理及分析方法

1.1 退磁機(jī)理

磁滯回線是描述磁性材料磁性能的常見(jiàn)曲線（圖1），它刻畫(huà)了永磁材料磁感強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系。

圖1 永磁材料的磁滯回線

磁滯回線在第二象限的曲線被稱(chēng)作退磁曲線。其中，剩磁Br是指將鐵磁性材料磁化后去除磁場(chǎng)，被磁化的鐵磁體上所剩余的磁化強(qiáng)度；矯頑力Hc表示磁性材料抵抗退磁的能力。永磁材料的剩磁和矯頑力越大，永磁體磁性能越好[5]。若施加到永磁體上的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度，退磁曲線會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，磁密急劇下降，永磁體將損失一部分磁能；若退磁磁強(qiáng)超過(guò)拐點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度，退磁磁場(chǎng)撤離后，剩磁無(wú)法返回到原來(lái)的值，永磁體發(fā)生不可逆退磁。

根據(jù)居里-外斯定律：

其中，X表示永磁體的磁化強(qiáng)度，C、Tc為常數(shù)，與永磁體材料有關(guān)，T為系統(tǒng)的溫度。該公式表明，永磁體的退磁現(xiàn)象和溫度密切相關(guān)，隨著溫度的升高，永磁體的磁化強(qiáng)度會(huì)下降，最終導(dǎo)致永磁體的退磁。

受電動(dòng)汽車(chē)工況、體型等限制，車(chē)用高功率密度永磁電機(jī)體積小而不易于散熱，往往會(huì)因遭受高溫、頻繁沖擊等而產(chǎn)生退磁現(xiàn)象[6]。

1.2 退磁分析方法

永磁體的退磁分析方法主要有等效磁路法、有限元分析法[7-8]。等效磁路法的基本思路是將永磁體等效為磁通源，把電機(jī)分成若干個(gè)具有不同磁通特性的子磁路，然后將這些子磁路用電路的方式互相連接起來(lái)，最終形成整個(gè)電機(jī)的等效磁路。計(jì)算量相對(duì)有限元方法更小、更簡(jiǎn)單，但是其無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估磁路飽和對(duì)永磁體退磁的影響。

有限元分析法是基于麥克斯韋方程組基本理論，將對(duì)電磁場(chǎng)的計(jì)算轉(zhuǎn)化為對(duì)矩陣的求解，故而必須先理解麥克斯韋方程組的原理，才能更好地使用有限元分析法來(lái)進(jìn)行永磁體的退磁分析。

麥克斯韋方程組由描述電流和時(shí)變電場(chǎng)怎樣產(chǎn)生磁場(chǎng)的安培環(huán)路定律、描述時(shí)變磁場(chǎng)如何產(chǎn)生電場(chǎng)的法拉第電磁感應(yīng)定律、論述磁單極子不存在的高斯磁定律以及描述電荷如何產(chǎn)生電場(chǎng)的高斯定律四個(gè)方程組組成。

（1）安培環(huán)路定律

（2）法拉第電磁感應(yīng)定律

任何閉合回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和穿過(guò)該閉合回路形成曲面的磁通量關(guān)于時(shí)間的變化率成正比，則法拉第電磁感應(yīng)定律表示為：

（3）高斯磁定律

（4）高斯定律

對(duì)于任何介質(zhì)，無(wú)論電通密度分布如何，電場(chǎng)中都存在穿過(guò)任意一個(gè)閉合曲面的電通量等于該閉合曲面的電荷量。則高斯定律表示為：

式中，q代表該閉合曲面的電荷量。

由于我們進(jìn)行有限元分析法需要的是麥克斯韋方程組的微分形式，所以上述四個(gè)方程組可以表示為：

這里ε，μ，γ分別是媒質(zhì)的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。

有限元分析方法的基本思路是將連續(xù)、復(fù)雜的物理形式離散化，將電機(jī)模型劃分成很多子單元獨(dú)立求解，最終將這些參數(shù)組合起來(lái)，得到完整的計(jì)算結(jié)果。其計(jì)算精度高、靈活性高?？紤]到車(chē)用永磁同步電機(jī)局部磁場(chǎng)飽和情況嚴(yán)重，本文采用有限元分析法全面考察永磁體退磁情況。

2 車(chē)用電機(jī)結(jié)構(gòu)及仿真設(shè)計(jì)

2.1 車(chē)用永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)方法

永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)需要具備電磁、機(jī)械、熱傳等方面的知識(shí)，作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，永磁同步電機(jī)需要提供大電流與高性能永磁體，導(dǎo)致永磁電機(jī)出現(xiàn)局部飽和現(xiàn)象。為設(shè)計(jì)出一臺(tái)高性能的車(chē)用永磁電機(jī)，本文借助RMxprt計(jì)算機(jī)軟件對(duì)永磁體尺寸、定子槽口寬度等進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而得到最終優(yōu)化方案[9]。

2.2 車(chē)用永磁同步電機(jī)模型設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，以一臺(tái)8極24槽三相永磁同步電機(jī)為設(shè)計(jì)對(duì)象，繞組采用星型接法，定、轉(zhuǎn)子鐵芯材料選用35H300。其他參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)性能指標(biāo)

在確定好電機(jī)結(jié)構(gòu)后，將各類(lèi)參數(shù)輸入RMxprt軟件，自動(dòng)構(gòu)建出完整的Maxwell 2D模型，如圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)模型

3 車(chē)用電機(jī)永磁體退磁特性分析

3.1 永磁體局部退磁模型

為研究車(chē)用電機(jī)永磁體退磁特征，可以通過(guò)將退磁部分的剩磁設(shè)置為0來(lái)模擬退磁故障。本文對(duì)上述搭建的8極電機(jī)永磁體進(jìn)行6.25%（單個(gè)磁極的一半退磁）、12.5%（一塊永磁體退磁）、25%（一對(duì)永磁體退磁）、50%（兩對(duì)永磁體退磁）、75%（三對(duì)永磁體退磁）退磁程度設(shè)定。并比較分析在局部退磁面積逐漸擴(kuò)大的情況下，永磁電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)、氣隙磁密的變化規(guī)律。

3.2 氣隙磁密分析

圖3為永磁體發(fā)生不同程度局部退磁時(shí)的氣隙磁密圖。局部退磁導(dǎo)致氣隙磁密的分布不再均勻，出現(xiàn)一定的諧波，波形質(zhì)量變差。未退磁時(shí)氣隙磁密為1.0325T，退磁12.5%時(shí)氣隙磁密為0.9805T，氣隙磁密呈下降趨勢(shì)；退磁25%時(shí)氣隙磁密幅值為1.034T，氣隙磁密幅值較退磁12.5%有所增長(zhǎng)，此后呈下降趨勢(shì)。

圖3 永磁體局部退磁時(shí)氣隙磁密曲線

由圖4可知，氣隙磁密幅值出現(xiàn)先下降后增長(zhǎng)又下降趨勢(shì)，但是變化幅度很小。

圖4 氣隙磁密幅值變化

3.3 空載反電動(dòng)勢(shì)分析

空載反電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)空載時(shí)氣隙磁密在電樞繞組內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，能夠很好地反映永磁電機(jī)的工作情況。根據(jù)空載反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算公式：

式中，電機(jī)頻率f、繞組系數(shù)kN1、相繞組串聯(lián)匝數(shù)N均只與電機(jī)參數(shù)有關(guān)，與空載磁通呈正比關(guān)系[10-11]。因此空載反電動(dòng)勢(shì)可以很好地體現(xiàn)永磁體退磁情況。

局部退磁面積的增大使得永磁體有效面積減少，永磁體產(chǎn)生磁通變小，空載反電動(dòng)勢(shì)下降。圖5為永磁體發(fā)生不同程度局部退磁時(shí)的A相空載反電動(dòng)勢(shì)波形圖，隨著退磁程度的加劇，空載反電動(dòng)勢(shì)呈下降趨勢(shì)，且下降幅度不斷增大。

圖5 永磁體局部退磁時(shí)空載反電動(dòng)勢(shì)曲線

聯(lián)合MATLAB軟件對(duì)空載反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行FFT分析，由表2可知，隨著永磁體局部退磁加劇，空載反電動(dòng)勢(shì)基波呈明顯下降趨勢(shì)，各奇次諧波均有所波動(dòng)，其中5次諧波呈下降趨勢(shì)。

表2 永磁體局部退磁時(shí)空載反電動(dòng)勢(shì)各次諧波值

表3 永磁體局部退磁時(shí)空載反電動(dòng)勢(shì)各次諧波值含量

分析各諧波在基波中占比可知，5次諧波含量最高，9次諧波含量最低；在不同程度退磁時(shí)，諧波含量均有小幅值波動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁同步電機(jī)因功率密度高、轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比高、控制性能好等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)，受惡劣工況影響，永磁體產(chǎn)生退磁故障，進(jìn)而引起電機(jī)發(fā)熱、輸出轉(zhuǎn)矩下降，影響電動(dòng)汽車(chē)可靠性與安全性。本文基于Maxwell與RMxprt軟件搭建了一臺(tái)8極24槽車(chē)用永磁同步電機(jī)，研究永磁體在不同范圍局部退磁時(shí)退磁情況。根據(jù)磁滯曲線分析永磁體的性能，分析可逆退磁與不可逆退磁的退磁機(jī)理，結(jié)合實(shí)際工作環(huán)境解釋了車(chē)用永磁同步電機(jī)退磁原因。本文介紹了兩種不同的磁場(chǎng)分析方法，通過(guò)Maxwell仿真軟件模擬不同范圍的永磁體局部退磁模型，對(duì)空載反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行FFT變換，分析了空載反電動(dòng)勢(shì)、氣隙磁密的變化規(guī)律，得到的結(jié)論如下：永磁體在發(fā)生局部退磁時(shí)，空載反電動(dòng)勢(shì)呈降低趨勢(shì)，各諧波含量均有小幅度波動(dòng)，各氣隙磁密空間分布不再均勻。高溫是導(dǎo)致永磁體失磁的重要因素，后續(xù)可以通過(guò)溫度場(chǎng)與電磁場(chǎng)的雙向耦合來(lái)研究溫度所引起的退磁對(duì)電機(jī)性能的影響。