高密度永磁电机永磁体防退磁技术的分析

邱寅晨

（1.大唐环境产业集团股份有限公司；2.大唐（北京）能源管理有限公司，北京 100097）

高密度永磁电机永磁体防退磁技术的分析

邱寅晨1，2

（1.大唐环境产业集团股份有限公司；2.大唐（北京）能源管理有限公司，北京 100097）

本文分析了永磁体的退磁机制，基于退磁原理，建立了退磁模型，并设计了高密度永磁电机防退磁方案。通过实验的方法，验证了防退磁方案的可行性，证实了防退磁方案的推广价值。

高密度永磁电机；永磁体；防退磁技术

高密度永磁电机在电动汽车、煤矿、电厂以及化工等领域应用广泛，由永磁体提供励磁，无需电网提供励磁电流，定子电流下降，定子铜损耗减小，功率因数提高，电机同步速运转，没有转差，稳态运行时转子几乎没有电流，故没有转子铜损耗，因此具有效率高、体积小、反应快、功率因数高、运行电流小、温升低、节能效果显著的特点。但受环境温度等因素的影响，电机退磁问题显著存在，对机械使用安全性造成的影响较大。研究永磁体防退磁技术是解决上述问题的方法。

1 永磁体退磁机制

磁性材料需以原子的固定电子结构为依靠保持磁性。受温度、外磁场、化学以及振动等因素的影响，永磁体的电子结构容易发生变化，致使退磁问题发生：（1）温度：温度的变化与永磁体磁性的变化负相关。随温度的上升，钕铁硼永磁材料磁性逐渐消失。（2）外磁场：影响永磁体磁性的外磁场，主要包括恒稳磁场以及突变磁场两种。恒稳磁场对永磁体磁性的影响相对较小。当永磁体最初工作点较突变磁场高时，永磁材料容易发生退磁现象，反之则否。（3）化学：永磁体与酸、碱等化学物质接触后，材料中的铁可发生锈蚀，磁性随之下降。（4）振动：永磁体磁畴结构稳定，遇振动后，结构稳定性会受到影响，导致退磁矩能量发生摆动，致使退磁问题发生。

2 高密度永磁电机永磁体防退磁技术的分析

2.1 退磁模型

以电动汽车为例，建立了高密度永磁电机永磁体的退磁模型。

2.1.1 工况分析

（1）电动汽车工况包括启动、加速、转弯、负载等，工况较为复杂。（2）低速区对弯矩要求高。（3）动力结构集成性强，体积小。（4）对机械强度要求高。（5）电能的利用率与电动汽车的行驶里程正相关，电能利用率越高，同样工况下电动车的行驶里程越长。

2.1.2 电动机原型设计

（1）确定电机转子类型。（2）估算电机尺寸。（3）评估电机能力指标。（4）确定极弧系数。（5）计算电机概念。

2.1.3 退磁模型

（1）建立等效磁网格单元。（2）构建定子网络模型。（3）在考虑温度的基础上，建立转子磁网络模型。（4）建立气隙磁网络模型。

2.2 防退磁设计

2.2.1 多因素观测器设计

根据外磁场及温度的不同，永磁体的工作状态也不尽相同。因此，需将与永磁体磁性有关的多种因素，作为观测器设计的主要影响因素加以控制，以实现对不同因素的优化设计，提高防退磁技术水平。

2.2.2 热网网络模型

热网网络模型建立方法如下：（1）根据温度的不同功能，将水冷基座划分为不同节点，使部分热量可进入到冷却循环环节，使水得到冷却。其余热量可通过电机机体散发到外部。（2）定子属于永磁电机的主要组成部分，一般由铁芯及绕组两部分构成，两者均属于热源的主要损耗者。铁芯温度节点一般处于齿部附近。（3）绕组端部处于机组端部之中，当永磁电机运行时，定子铁芯、绕组可发生热传递。鉴于电机结构具有对称性，可采用相同方法处理上述元件。（4）将电动汽车的前轴承与后轴承盖的热路并联，可得到不同的轴承模块。（5）应将转子铁芯的温度节点以及机座的温度节点应用到轴承热网格模型的建立过程中，提高模型建立的合理性。

2.2.3 损耗分析

（1）计算电枢绕组损耗：电枢即定子电枢。当定子电流通过定子绕组后，电枢便会产生。需以定子电力及绕组参数为基础，计算电枢绕组损耗。（2）铁芯损耗：当永磁材料处于交变磁场中时，退磁问题较容易发生。导致上述问题出现的原因，与铁芯的损耗存在联系，因此需重点考虑铁芯损耗问题。（3）受齿槽效应的影响，永磁体容易产生涡流损耗。可在已知轴向长度、回路电阻等数据的基础上，计算出涡流损耗。（4）轴承损耗：轴承损耗应在已知轴承摩擦力矩及转速等参数的基础上计算得出。

3 防退磁技术应用效果验证

通过实验的方法，观察了防退磁技术的应用效果。

3.1 实验设计

3.1.1 同步电机模型

以永磁体温度为基础，建立同步电机模型：（1）假设三相定子电流以对称的正弦波电流为主。（2）电子绕组与轴线处于转子的零位置。（3）假设定子绕组无漏磁问题。（4）在上述假设均成立的基础上，建立永磁体同步电机模型（图1）。

3.1.2 永磁体监测器

（1）以永磁体观测器为凭借，对电机加以控制。（2）以永磁体观测器为凭借，建立矢量控制系统。（3）设计实验平台：永磁转子结构以V字形为主。样机90kW。

图1 同步电机模型

3.1.3 实验系统构成

实验系统由电源、控制器、传感器、数据采集系统等构成：（1）电源：实验系统电源为直流输入电源，可实现对三相交流电的整流，使之最终以直流电源的形式输出。（2）被测电机控制器：由被测电机、逆变器以及控制器等部分构成。（3）测功机及控制器：由测功机、逆变器以及控制器等部分构成。（4）转速传感器：功能在于检测永磁电机的转速。（5）数据采集系统：将自动化数据采集系统应用到实验中，实现对电机运行数据的采集。被测电机以及测功机可发出控制指令，在获取指令后，便可开始采集转速以及温度等方面的数据。（6）系统采用并网电测功电气方案设计，测功机以及被测机供电电源均以直流电源为主，且两者的电源为同一台。测试过程中，被测机与测功机需处于不同的工况，如前者处于电动工况，后者则需处于发电工况中。

3.2 实验结果

电机性能以及观测器控制实验结果分别如下。

3.2.1 电机性能实验结果

电机性能结果如下：（1）通过对电机输出矩性能的测试发现：当工况处于峰值状态下，且固定不变时，电机的转矩输出能力较强。（2）峰值工况与额定工况下，电机的输出功率测试结果存在显著差异。两种工况下，功率变化规律大致相同，但对比可见，峰值工况下输出功率更高。当电机速度达到4000r/min时，峰值工况及额定工况下的功率均可达到最高。（3）通过对电机效率曲线的观察可以发现，峰值工况与额定工况下，电机效率均较高，效率曲线基本重叠，无显著差异。

3.2.2 观测器控制实验结果

观测器控制实验结果如下：（1）随着永磁体运行时间的延长，前轴承、后轴承、永磁体以及定子线圈的温度均随之提升。前期温度提升较快，后期温度曲线变化幅度较小，但仍呈上升趋势。在四大元件中，永磁体温度最高。（2）永磁体实测温度与预计温度大体相同，两项数据对比无统计学差异。（3）通过对永磁体观测值验证试验结果的观测发现：永磁体临界温度为180℃、磁场强度为560kA/m。（4）在工况为100N·m、4000r/min时，电机的升温幅度较小，且较为平稳。当永磁体处于临界工作状态时，电流以及电压基本已达到极限，此时永磁体难以正常工作。

3.3 小结

（1）受温度以及外磁场等因素的影响，高密度电机永磁体出现退磁现象不可避免。永磁体退磁具有不可逆的特点。为提高高密度永磁电机的使用性能，加强对退磁的预防是关键。（2）针对高密度永磁电机建立退磁模型，是研究防退磁术的基础。（3）设计电机原型，建立等效磁网络模型，评估永磁体的防退磁能力，优化永磁体参数，是提高永磁体防退磁技术水平的主要步骤。（4）采用多目标优化设计的方法设计的永磁体防退磁方案，具有经济性强、损耗小的特点，且能够有效实现对永磁体磁性的保护。（5）永磁电动机的温度以及观测器，是影响退磁的主要因素，防退磁方案设计过程中，应充分考虑上述问题。

4 结语

综上，基于多目标优化设计方法所设计的永磁体防退磁方案，防退磁效果好、磁性损耗小，经济效益显著，具有较高的推广价值。

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