电动汽车用永磁电机设计及局部退磁特性分析

王一璇，郑泽钦

天津工业大学，天津，300387

0 引言

在能源与环境问题日益严峻背景下，加快新能源汽车产业发展，将有力保障能源安全、推进节能减排。永磁同步电机因具有几何尺寸小、功率重量比高、惯性低等优势，被应用于新能源汽车、家用电器等众多电气设备领域[1-2]。钕铁硼稀土永磁体被广泛应用于永磁同步电机中，我国钕铁硼稀土永磁体作为永磁电机的重要组成部分大量出口[3-4]，因此开发新型的、具有中国特色的高性能车用稀土永磁电机对我国经济转型升级也具有重要意义。永磁体作为磁场源，为电机提供恒定磁场，是永磁同步电机的重要组成部分，其性能与电机的可靠性紧密相连，然而受汽车工况影响，如高温、冲击振动等都会引起退磁故障，进而导致电机转矩性能降低，影响电动汽车运行可靠性。因此，实现永磁同步电机的优化设计与退磁分析将有助于提升永磁同步电机的使用安全性。

1 车用电机永磁体退磁机理及分析方法

1.1 退磁机理

磁滞回线是描述磁性材料磁性能的常见曲线（图1），它刻画了永磁材料磁感强度B与磁场强度H之间的关系。

图1 永磁材料的磁滞回线

磁滞回线在第二象限的曲线被称作退磁曲线。其中，剩磁Br是指将铁磁性材料磁化后去除磁场，被磁化的铁磁体上所剩余的磁化强度；矫顽力Hc表示磁性材料抵抗退磁的能力。永磁材料的剩磁和矫顽力越大，永磁体磁性能越好[5]。若施加到永磁体上的反向磁场强度达到一定程度，退磁曲线会出现拐点，磁密急剧下降，永磁体将损失一部分磁能；若退磁磁强超过拐点磁场强度，退磁磁场撤离后，剩磁无法返回到原来的值，永磁体发生不可逆退磁。

根据居里-外斯定律：

其中，X表示永磁体的磁化强度，C、Tc为常数，与永磁体材料有关，T为系统的温度。该公式表明，永磁体的退磁现象和温度密切相关，随着温度的升高，永磁体的磁化强度会下降，最终导致永磁体的退磁。

受电动汽车工况、体型等限制，车用高功率密度永磁电机体积小而不易于散热，往往会因遭受高温、频繁冲击等而产生退磁现象[6]。

1.2 退磁分析方法

永磁体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将永磁体等效为磁通源，把电机分成若干个具有不同磁通特性的子磁路，然后将这些子磁路用电路的方式互相连接起来，最终形成整个电机的等效磁路。计算量相对有限元方法更小、更简单，但是其无法准确评估磁路饱和对永磁体退磁的影响。

有限元分析法是基于麦克斯韦方程组基本理论，将对电磁场的计算转化为对矩阵的求解，故而必须先理解麦克斯韦方程组的原理，才能更好地使用有限元分析法来进行永磁体的退磁分析。

麦克斯韦方程组由描述电流和时变电场怎样产生磁场的安培环路定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第电磁感应定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律以及描述电荷如何产生电场的高斯定律四个方程组组成。

（1）安培环路定律

（2）法拉第电磁感应定律

任何闭合回路中的感应电动势和穿过该闭合回路形成曲面的磁通量关于时间的变化率成正比，则法拉第电磁感应定律表示为：

（3）高斯磁定律

（4）高斯定律

对于任何介质，无论电通密度分布如何，电场中都存在穿过任意一个闭合曲面的电通量等于该闭合曲面的电荷量。则高斯定律表示为：

式中，q代表该闭合曲面的电荷量。

由于我们进行有限元分析法需要的是麦克斯韦方程组的微分形式，所以上述四个方程组可以表示为：

这里ε，μ，γ分别是媒质的介电常数、磁导率和电导率。

有限元分析方法的基本思路是将连续、复杂的物理形式离散化，将电机模型划分成很多子单元独立求解，最终将这些参数组合起来，得到完整的计算结果。其计算精度高、灵活性高。考虑到车用永磁同步电机局部磁场饱和情况严重，本文采用有限元分析法全面考察永磁体退磁情况。

2 车用电机结构及仿真设计

2.1 车用永磁同步电机设计方法

永磁电机的设计需要具备电磁、机械、热传等方面的知识，作为电动汽车驱动系统的重要组成部分，永磁同步电机需要提供大电流与高性能永磁体，导致永磁电机出现局部饱和现象。为设计出一台高性能的车用永磁电机，本文借助RMxprt计算机软件对永磁体尺寸、定子槽口宽度等进行优化，进而得到最终优化方案[9]。

2.2 车用永磁同步电机模型设计

根据设计需求，以一台8极24槽三相永磁同步电机为设计对象，绕组采用星型接法，定、转子铁芯材料选用35H300。其他参数如表1所示。

表1 电机性能指标

在确定好电机结构后，将各类参数输入RMxprt软件，自动构建出完整的Maxwell 2D模型，如图2所示。

图2 永磁同步电机模型

3 车用电机永磁体退磁特性分析

3.1 永磁体局部退磁模型

为研究车用电机永磁体退磁特征，可以通过将退磁部分的剩磁设置为0来模拟退磁故障。本文对上述搭建的8极电机永磁体进行6.25%（单个磁极的一半退磁）、12.5%（一块永磁体退磁）、25%（一对永磁体退磁）、50%（两对永磁体退磁）、75%（三对永磁体退磁）退磁程度设定。并比较分析在局部退磁面积逐渐扩大的情况下，永磁电机空载反电动势、气隙磁密的变化规律。

3.2 气隙磁密分析

图3为永磁体发生不同程度局部退磁时的气隙磁密图。局部退磁导致气隙磁密的分布不再均匀，出现一定的谐波，波形质量变差。未退磁时气隙磁密为1.0325T，退磁12.5%时气隙磁密为0.9805T，气隙磁密呈下降趋势；退磁25%时气隙磁密幅值为1.034T，气隙磁密幅值较退磁12.5%有所增长，此后呈下降趋势。

图3 永磁体局部退磁时气隙磁密曲线

由图4可知，气隙磁密幅值出现先下降后增长又下降趋势，但是变化幅度很小。

图4 气隙磁密幅值变化

3.3 空载反电动势分析

空载反电动势是电机空载时气隙磁密在电枢绕组内感应产生的电动势，能够很好地反映永磁电机的工作情况。根据空载反电动势计算公式：

式中，电机频率f、绕组系数kN1、相绕组串联匝数N均只与电机参数有关，与空载磁通呈正比关系[10-11]。因此空载反电动势可以很好地体现永磁体退磁情况。

局部退磁面积的增大使得永磁体有效面积减少，永磁体产生磁通变小，空载反电动势下降。图5为永磁体发生不同程度局部退磁时的A相空载反电动势波形图，随着退磁程度的加剧，空载反电动势呈下降趋势，且下降幅度不断增大。

图5 永磁体局部退磁时空载反电动势曲线

联合MATLAB软件对空载反电动势进行FFT分析，由表2可知，随着永磁体局部退磁加剧，空载反电动势基波呈明显下降趋势，各奇次谐波均有所波动，其中5次谐波呈下降趋势。

表2 永磁体局部退磁时空载反电动势各次谐波值

表3 永磁体局部退磁时空载反电动势各次谐波值含量

分析各谐波在基波中占比可知，5次谐波含量最高，9次谐波含量最低；在不同程度退磁时，谐波含量均有小幅值波动。

4 结语

永磁同步电机因功率密度高、转矩质量比高、控制性能好等优势，广泛应用于电动汽车系统，受恶劣工况影响，永磁体产生退磁故障，进而引起电机发热、输出转矩下降，影响电动汽车可靠性与安全性。本文基于Maxwell与RMxprt软件搭建了一台8极24槽车用永磁同步电机，研究永磁体在不同范围局部退磁时退磁情况。根据磁滞曲线分析永磁体的性能，分析可逆退磁与不可逆退磁的退磁机理，结合实际工作环境解释了车用永磁同步电机退磁原因。本文介绍了两种不同的磁场分析方法，通过Maxwell仿真软件模拟不同范围的永磁体局部退磁模型，对空载反电动势进行FFT变换，分析了空载反电动势、气隙磁密的变化规律，得到的结论如下：永磁体在发生局部退磁时，空载反电动势呈降低趋势，各谐波含量均有小幅度波动，各气隙磁密空间分布不再均匀。高温是导致永磁体失磁的重要因素，后续可以通过温度场与电磁场的双向耦合来研究温度所引起的退磁对电机性能的影响。