基于有限元的压缩机用永磁同步电机退磁分析

周启风，张兴志，范 杰

(南昌海立电器有限公司，南昌 330034)

0 引 言

随着能效标准、使用舒适性要求提高，变频空调已成为行业发展的趋势。而变频空调中压缩机用电机为永磁同步电机。永磁同步电机运行时，通电的定子线圈会对转子上永磁体形成去磁效应。当电机在正常运转时，运转电流较小，电枢绕组产生的磁场强度并不足以使永磁体退磁。但当电机遭遇异常情况，如堵转、短路等情况时，将引起瞬时电流突增，从而容易导致永磁体不可逆退磁，影响电机性能及可靠性。为了保证电机正常运行，在电机开发时需要对电机永磁体退磁特性进行充分分析与校核。

目前，新能源汽车用永磁电机退磁研究已经有较多文献[1]，但在空调压缩机领域研究较少。本文主要结合空调压缩机运行工况，分析压缩机用永磁同步电机永磁体的退磁特点，并通过压缩机实物验证。

1 永磁电机退磁分析方法

1.1 等效磁路分析

等效磁路方法是将永磁体作为磁通源，对外磁路提供磁动势Fm和磁通Φm。对外磁路中各部位的磁导计算，并通过反复迭代计算确定最终的永磁体负载工作点bmh。

(1)

(2)

即可求得去磁电流最小值Iadh。

磁路法计算得到的Iadh值，可以反映出不同结构尺寸下永磁体抗退磁能力的大小，可以指导设计人员对永磁体的尺寸设计及永磁体牌号选择。但磁路计算方法计算的是永磁体工作点的平均值，忽略了大电流工况时磁路的饱和对永磁体局部退磁影响。另外在大电流工况时，铁心中各部位的磁密增大，磁路趋于饱和，磁路磁阻增大，漏磁系数发生改变，而在磁路计算时漏磁系数、磁导不变，所以计算精度较差，需要丰富经验修正，有较大的局限性[2-3]。

1.2 有限元分析

有限元分析是基于麦克斯韦方程，在电磁场仿真软件中建立模型并计算，麦克斯韦方程组如下[4]：

(3)

式中：G为求解区域；Γ1为定子部分边界；Γ2为永磁体边界；Js为传导电流密度；A为矢量磁位；μ为磁导率；ν1，ν2为磁阻率；δc=Hcn；Hc为永磁体矫顽力；n为永磁体边界外法向单位矢量。

有限元法就是把部件所在的求解区域进行剖分，将一个完整的区域划分成有限多个离散的小三角形单元和节点，在各个单元内构造磁位矢量的插值函数。将条件变分问题离散化为多元函数的极值问题，即转化为一系列的关于各个节点上磁位矢量的代数方程组，最终求解得到各节点磁位矢量的数值[4-5]。

有限元分析方法基于电磁场有限元软件来建模分析永磁体退磁。仿真时需要输入永磁体材料的非线性B-H曲线，由静态磁场理论通过反复迭代计算。有限元分析方法能提供精确计算结果与仿真图形，缺点是分析过程较缓慢，需要较高的模型准确性及较复杂的设置过程。

2 基于有限元的模型搭建与分析

2.1 有限元模型建立

本文基于1.1 kW压缩机用永磁同步电机为研究对象，详细信息如表1所示。

表1 永磁同步电机参数

根据电机参数建立了1.1 kW压缩机用电机有限元仿真模型，对各部件材料赋材料属性，如图1所示，并搭建电路如图2所示。

图1 电机模型

图2 电路模型2.2 退磁评价参数

目前，仿真对永磁体的退磁评价有多种方法，如：永磁体退磁率对比，输出转矩对比，空载反电动势对比，永磁体工作点对比。

由于电机空载反电动势实验测试中容易测试，测试精度高，反电动势的降低数值直观，故我们后续分析采用空载反电动势对比方法。根据空载反电动势计算公式：

E0=4.44fKdpNΦδ0KΦ

(4)

式中：f为电机转子转动频率；Kdp为绕组系数；N为电机绕组匝数；Φδ0为空载主磁通；KΦ为气隙磁通波形系数。

从式(4)可以看出,E0正比于空载主磁通Φδ0。当永磁体发生退磁后，永磁体工作点下降，空载主磁通Φδ0降低,进而影响空载反电动势E0降低。退磁前后反电动势波形如图3所示。

图3 永磁体退磁前后空载反电动势波形

(5)

通过退磁比例系数K，我们可以很直观地了解永磁体平均退磁大小。经过上述的分析，有限元求解分析流程如图4所示。

图4 仿真步骤

电机的运转状态如图5所示。在阶段Ⅰ时，电机为空载仿真并测试电机线间反电势，此时转速设置为1 000 r/min，温度为20 ℃，输入电流为0；在阶段Ⅱ时，电机处于堵转状态，温度为130 ℃，并通入短路电流；在阶段Ⅲ时，再次对电机空载仿真反电动势，对比前后两次反电动势下降比例，即可计算出永磁体退磁比例。

图5 仿真中速度设置

2.3 退磁仿真结果分析

根据上述思路，搭建电机模型并进行计算仿真，计算永磁体退磁率云图，如图6所示。

图6 退磁率云图

从图6可以看出，当对电机通入19.6 A电流时，永磁体两端出现云图，说明永磁体两端发生了不可逆退磁，在永磁体角上部位退磁比达到了6%。电机通入不同大小电流和退磁比例关系如表2所示。

表2 退磁电流与退磁比例仿真

永磁电机退磁与电机结构、定子绕组匝数、永磁体牌号相关外，还与退磁电流的幅值有关，图7为退磁电流与退磁比例系数曲线。从图7可以看出，随着退磁电流的增加，永磁体退磁面积与退磁程度也随之增加。当外加退磁磁场超过永磁体拐点，退磁比例系数加大。

图7 退磁曲线

3 仿真退磁曲线与实测对比分析

为了验证仿真计算的正确性，对电机实验实测退磁比例，如表3所示。

表3 退磁电流与退磁比例系数

从表3数据可以看出，仿真数据和实测数据一致性较好，如图8所示，能较好地满足设计之初预判。为电机设计时永磁体厚度、永磁体牌号选型提供了依据，加快了电机退磁评价周期。

4 结 语

本文基于有限元方法对空调压缩机用永磁同步电机搭建了退磁分析平台，对电机退磁比例、退磁部位做了研究。并在1.1 kW空调压缩机用永磁同步电机上实验验证。仿真退磁比例与实验退磁比例吻合。该仿真分析方法在电机设计时，对电机的永磁体厚度、永磁体牌号选型提供了依据，加快了电机退磁评价周期。