面向有限元下压缩机用永磁同步电机的退磁研究

陈锦波

摘 要：在新时期环境下，诸多电器设备中的压缩机会用到永磁同步电机，而此类电机实际运行状态直接对压缩机的性能造成影响，其中永磁同步电机的退磁情况则会严重影响其电机的运行，这就需要做好对压缩机用永磁同步电机的退磁研究，尽可能避免这种情况的发生。下面，本文就以有限元的方法实施评价方法的构建，来对压缩机用永磁同步电机的退磁实施研究，希望对相关工作的开展提供参考。

关键词：有限元;压缩机;永磁同步电机;退磁研究

目前空调成为了人们生活和工作中不可或缺的电器设备，而为了更好提升空调的舒适性以及能效性，对变频空调的研发力度逐渐增加。而变频空调内压缩机所用的是永磁同步的电机实施驱动，但当电机发生异常的情况后，可能导致瞬时的电流突然增加，使永磁体发生不可逆的退磁情况，进而对电机运行性能产生影响。而想要实现电机能够正常和稳定地运行，就需要对电机设计期间就需要做好对其退磁的研究，避免后期出现异常现象。

1.压缩机用永磁同步电机的退磁原理分析

现阶段空调所用变频压缩机其内部电机一般采用钕铁硼磁铁，其基本的磁性能情况，可以通过磁滞回线进行反映，也就是B=f（H） ，钕铁硼磁铁磁感应强度B大小会随磁场强度变化而发生变化， 如下图1。

按照上图进行分析，当一块没有磁化的钕铁硼磁铁位于变化的磁场对其进行磁化时，磁化曲线先自坐标的原点0起始，其磁感应强度B会随磁场的强度增加而增大，且渐渐趋于a点饱和的状态。后再增加外加磁场的强度，B基本是保持不变的，此时a点所对应的磁感应强度Bs被称作饱和磁感应强度 [1]。

在钕铁硼磁铁进行充磁且达到了飽和状态后，此时逐渐减小外加的磁场强度，则钕铁硼磁铁内磁感应强度也会随之逐渐减小，而B-H的关系不依照0a曲线下降， 而是按图1内的ab曲线下降。在外加的磁场是零时，钕铁硼磁铁内磁感应的强度为Br，此时B发生的变化比H变化存在滞后性。即H为0时，B的值是Br， 此现象就是钕铁硼磁铁的磁滞特性，而Br为磁感应的剩余强度。如果此时对外加的磁场方向实施改变，且逐渐朝相反的方向进行增大，B-H的关系就会按照图1内曲线b a变化，并实现负向饱和，保持外加磁场方向不变，减少磁场强度，磁铁内磁感应强度对应减少， B-H的关系就会按照图1内曲线 a b变化，后若再改变磁场方向，增加外加磁场强度，此时磁铁内磁感应强度再逐渐朝正值进行增加，其B-H的关系就会按照曲线的bca发生变化。当外加的磁场反复按照上述变化，则永磁体的材料就会发生循环的磁化，就能够得到图1所对应磁滞回线。

当钕铁硼磁铁置于退磁磁场中时，其退磁曲线如下图2

已充磁永磁体承受磁场强度Hk退磁磁场时，其磁感应的强度就会沿退磁曲线朝k发生位移，在移动至k位置后，若对退磁磁场的强度减小或者消除，其磁感应的强度会沿着kBr发生移动。在钕铁硼永磁材料基于高温条件下，若退磁的磁场强度（Hp）较大的话，退磁的曲线就会发生拐点，而拐点以上位置永磁材料具有回复线和原退磁的曲线是重合的，但拐点以下位置回复线是比原退磁的曲线要低的。当回复线上部剩磁比Br小时，就会导致钕铁硼的永磁材料发生不可逆的退磁现象。而当此种情况一旦发生，就会使压缩机的整体效率出现下降，存在质量风险的隐患。

2.电机退磁有限元分析法概述

对于有限元分析法来说，它将麦克斯韦的方程当作基础，进而通过相应仿真性软件来实施相关模型的构建，其中麦克斯韦的方程组为：

在上式内，G是求解的区域，T1和T2分别是定子部分的边界和永磁体的边界，Js是传导电流的密度，A是矢量的磁位，μ是磁导率，v1和v2是磁阻率，δc是永磁体的矫顽力，而n低永磁体的边界处外法向的单位矢量值。

在有限元法中，把求解区域内部件实施剖分处理，把一完整性区域实施多个数量离散型小三角形类单元、节点的分划，后于各单元中实施关于磁位矢量相关插值函数的构建[2]。把条件变分的问题实施离散化处理，就能够将其转变成关于多元函数内求极值的情况，也就是将其变为各节点位置磁位矢量有关代数的方程组形式，并对各节点位置磁位矢量具体数值实施求解。以有限元法，通过仿真建模的手段来对永磁体区域内退磁情况实施研究。对永磁体的具体材料相关B-H的非线性曲线向模型内实施输入，并通过静态磁场的理论实施反复迭代的计算处理。

3.电机退磁有限元模型的构建和分析

3.1构建有限元相关模型

在本案例研究中，研究的对象是7.5kW的压缩机其永磁同步的电机，其详细的信息如下表。按照电机的参数实际情况，依据有限元法实施相应模型的构建，并根据各部件内材料情况对其材料实施属性的赋予。

3.2对退磁评价的参数设置

在大量的研究中，通过仿真手段对永磁体实施退磁的评价法是比较多的，有退磁率的对比以及输出转矩的对比等法。因为在电机若在空载的状态条件下，对反电动势实施实验测试较为简单，且测试具有很好的精度，同时对其反电动势出现数值降低的情况也较为直观，因此在本文的分析中就以空载状态条件下实施反电动势的对比测试。按照空载状态反电动势的公式实施计算如下：

E0=4.44fKdpNΦδ0KΦ           （2）

上式内，f是电机转子的转动频率值，Kdp是绕组的系数，N是电机绕组的匝数，Φδ0是空载的主磁通，KΦ是气隙磁通的波形系数值。按照上式（2）能够得知，E0是和空载的主磁通Φδ0存在正比关系。在永磁体出现退磁情况后，则永磁体的工作点发生下降，而空载的主磁通 Φδ0发生下降，对空载的反电动势产生影响，导致E0发生下降。

为对退磁的大小实施有效对比，可把退磁后所得到反电动势 （E'0 ）和退磁前所存在的反电动势（E0）实施比对处理，并将其通过退磁比例K进行设定，也就是如下的公式计算：

K=（1-E'0 /E0）×100%       （3）

在对退磁比例的系数K实施计算后，就能够对永磁体的平均退磁具体大小直观了解。在有限元的求解分析中，其流程主要是开始、仿真步骤、空载状态反电势的仿真E0、转速设为0、永磁体的温度设为150℃、通过电压源对两相短路的电流I进行通入、对永磁体的温度设为20℃、空载状态反电势的仿真E'0 、对退磁的比例实施计算、绘制曲线。

对电机运转的状态实施观察和分析，对其实施仿真测试。将仿真的速度设置为1000r· min-1、温度设施20℃、输入电流是0时，在0-0.02t/s内电机是空载状态仿真且对电机线间的反电势实施测试;当温度条件改成150℃后，且进行短路电流的通入，电机是堵转的状态;再次以电机空载的状态条件下实施仿真，对其反电动势进行测试，后对前后两次所进行反电动势的实际降低比例实施对比，就能够对永磁体的退磁比例进行计算[3]。

3.3对退磁的仿真结果进行分析和讨论

依据上述的分析，来对电机模型实施构建并进行仿真性计算，就能够得到永磁体的退磁率相应云图。对电机内进行70A的电流接通，进而在永磁体的两端位置就会发生云图的情况，因此这就说明了永磁体的两端位置存在不可逆性退磁的现象，且在永磁体的角上部位存在的退磁比为2%。在对电机依据不同大小的电流值接通操作后，得知其和退磁呈现相应比例关系，如下表内显示的情况。

对于永磁电机的退磁来说，不仅和电机的结构、永磁体的牌号和定子绕组的匝数等存在关系，且还和退磁的电流幅值存在关联，如下图1所示，就是退磁电流和退磁比例的系数曲线情况。根据图1能够得知，在退磁的电流呈现出不断增加的情况下，其永磁体的退磁面积和退磁的程度也随其不断增大，而在外加的退磁磁场比永磁体的拐点要大时，其退磁比例的系数也呈现不断加大的趋势。

4.仿真的退磁曲线和实测情况的对比

对仿真的计算正确性实施验证，来对电机的实验退磁的比例进行测试，得到下表3所示的情况。

根据上表内的数据能够得知，其仿真的数据与实测数据具有良好的一致性，能够能较好达到设计初预判的效果，这样就能够对电机的设计期间永磁体的厚度和永磁体的牌号选型提供良好的依据，则对电机退磁实施评价的周期实现有效缩短[4]。

5.结语

综上所述，通过有限元法对压缩机用永磁同步电机实施退磁分析仿真平台的构建，并对电机的退磁比例和退磁部位实施研究，且于7.5kW的压缩机上实施实验验证处理，得到仿真的退磁比例和实验退磁的比例具有吻合性，希望对电机设计的仿真分析具有帮助。

参考文献：

[1]王宗亮， 蔡巍. 内置式永磁同步电机电磁退磁性能研究[J]. 微电机， 2020（3）：15-19.

[2]胡余生， 曾学英， 陈彬. 热配合下永磁同步电机的铁损分析及优化[J]. 微电机， 2016（12）.21-24，29.

[3]李权锋， 陈彬， 肖勇. 压缩机用交替极永磁同步电机关键尺寸参数优化设计[J]. 日用電器， 2019， 160（04）：50-55.

[4]陈洪萍， 王秀和. 复合转子异步起动永磁同步电动机起动过程中永磁体退磁的研究[J]. 微电机， 2017， 50（001）：1-7.