王宗亮,蔡 巍

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199)

0 引 言

隨著第三代稀土永磁體釹鐵硼的出現(xiàn)，永磁電機(jī)以其高功率密度、低成本、高效的優(yōu)勢(shì)逐漸取代傳統(tǒng)的直流電機(jī)、異步電機(jī)和繞線(xiàn)式同步電機(jī)，在艦艇電力推進(jìn)系統(tǒng)及輔機(jī)電力拖動(dòng)裝置中逐步得到廣泛應(yīng)用[1]。其中，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)以轉(zhuǎn)子永磁體取代傳統(tǒng)勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁，從根本上消除了轉(zhuǎn)子銅耗，使其擁有效率高、調(diào)速范圍寬、可控性好等優(yōu)勢(shì)，得到了大量的研究和應(yīng)用[2]。

但由于永磁同步電機(jī)在艦艇上通常工作在高溫、高負(fù)荷的工作環(huán)境中，其永磁體常常伴隨有永久退磁的風(fēng)險(xiǎn)[3]。引起稀土永磁體永久退磁的原因主要有高溫、物理?yè)p耗、老化和強(qiáng)退磁磁場(chǎng)等主要因素，永磁體一旦發(fā)生永久退磁，電機(jī)的電磁性能就會(huì)大大降低，嚴(yán)重時(shí)甚至可能出現(xiàn)無(wú)法啟動(dòng)、燒損的風(fēng)險(xiǎn)[4]。因此在電機(jī)電磁設(shè)計(jì)階段時(shí)必須考慮其退磁問(wèn)題。

其中，王曉光等針對(duì)異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程電流大、退磁風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化交直軸導(dǎo)條及永磁體分布，提高了永磁體抗退磁的能力。同樣的，山東大學(xué)的陳洪萍[5]對(duì)一臺(tái)新型結(jié)構(gòu)的符合轉(zhuǎn)子異步啟動(dòng)永磁同步電機(jī)的退磁問(wèn)題進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子合成磁動(dòng)勢(shì)的相對(duì)位置會(huì)影響永磁體的最小工作點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]提供了一種基于電感監(jiān)測(cè)的退磁故障在線(xiàn)診斷方法，主要優(yōu)勢(shì)在于利用結(jié)構(gòu)分析可以精準(zhǔn)計(jì)算電感的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而推斷永磁體是否發(fā)生退磁。而文獻(xiàn)[7]也提出了一種動(dòng)態(tài)特性分析算法，能夠在電機(jī)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)最大電流限制，進(jìn)而減小永磁體退磁的風(fēng)險(xiǎn)。其次，還可優(yōu)化永磁體形狀來(lái)提高內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的抗退磁能力[8-9]。

本文針對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作時(shí)，永磁體易受到電磁退磁電流和高溫環(huán)境影響而發(fā)生不可逆退磁的問(wèn)題，以一臺(tái)峰值功率為70kW的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為例，結(jié)合永磁退磁機(jī)理及建立二維有限元模型，分析了不同退磁電流、工作溫度對(duì)電機(jī)退磁性能的影響，并提出提高永磁體抗退磁能力的方法。最后，通過(guò)制造樣機(jī)及搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試了樣機(jī)的抗退磁性能，從而驗(yàn)證了所研究電機(jī)的抗退磁能力和有限元計(jì)算的有效性。

1 永磁體電磁退磁機(jī)理

圖1給出了稀土釹鐵硼永磁體的退磁曲線(xiàn)。當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，永磁體工作在a點(diǎn)，剩磁密度為Br；隨著反向外磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，永磁體工作點(diǎn)逐漸下移，當(dāng)永磁體工作點(diǎn)超過(guò)膝點(diǎn)后(如b點(diǎn))，此時(shí)撤去外磁場(chǎng)，永磁體并不會(huì)返回a點(diǎn)，而是會(huì)沿著斜率為磁導(dǎo)率為μ的直線(xiàn)到達(dá)c點(diǎn)，剩磁降低，即此時(shí)發(fā)生不可逆退磁。

圖1 稀土釹鐵硼永磁體退磁曲線(xiàn)

除了受外磁場(chǎng)影響外，釹鐵硼永磁體性能受溫度影響也較大，圖2給出了某牌號(hào)N38UH釹鐵硼永磁體在不同溫度下的退磁曲線(xiàn)。可以看出，隨著溫度的增高，永磁體退磁曲線(xiàn)的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度越低，即此時(shí)永磁體越容易受到外磁場(chǎng)的作用發(fā)生不可逆退磁。

圖2 某N38UH釹鐵硼永磁體在不同溫度下的退磁曲線(xiàn)

一般來(lái)說(shuō)，永磁體剩磁密度與矯頑力和溫度的關(guān)系如下：

Br(T)=Br(T0)[1+α1(T-T0) ]HC(T)=HC(T0)[1+α2(T-T0)]

(1)

式中,T0=25℃，T為永磁體工作溫度，α1和α2分別為剩磁Br和矯頑力Hc的溫度矯正系數(shù)，此N38UH釹鐵硼的α1=-0.11%，α2=-0.5%。

2 電磁退磁仿真計(jì)算

2.1 場(chǎng)路有限元模型的建立

為了研究?jī)?nèi)置永磁同步電機(jī)內(nèi)部永磁體電磁不可逆退磁的原理，通過(guò)Maxwell軟件建立一臺(tái)峰值功率70kW、峰值電流250A的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的場(chǎng)路有限元模型，如圖3所示。為了縮短計(jì)算時(shí)間，使用1/4模型，其中永磁體采用N38UH釹鐵硼永磁體，V型內(nèi)置式結(jié)構(gòu)；定子三相繞組采用短距雙層疊繞。表1給出了電機(jī)的主要性能。

圖3 2D有限元1/4模型

參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值極對(duì)數(shù)4鐵芯軸長(zhǎng)/mm150相數(shù)3定子外徑/mm220峰值電流/A250峰值轉(zhuǎn)矩/Nm210額定功率/kW30峰值功率/kW70

2.2 永磁體在不同dq軸退磁電流下的退磁性能

本節(jié)分析不同dq軸退磁電流時(shí)，永磁體(120℃)退磁性能的變化。首先研究退磁對(duì)空載性能的影響，圖4給出了三相定子繞組激勵(lì)源輸入波形及相應(yīng)的dq軸電流變化，可知起始時(shí)刻三相繞組短時(shí)開(kāi)路，在10ms時(shí)加入三相電流，其產(chǎn)生退磁電流id，即此時(shí)定子磁場(chǎng)起退磁作用。隨后斷開(kāi)激勵(lì)，可比較退磁前后空載反電勢(shì)的變化。

圖4 空載工況下定子三相退磁電流與dq電流輸入波形

圖5為通入不同退磁電流后空載反電勢(shì)及其諧波含量的對(duì)比，可以看出，當(dāng)d軸退磁電流id大于1.5倍imax(峰值電流幅值)時(shí)，隨著d軸退磁電流的增加，空載反電勢(shì)基波幅值逐漸減小，證明了在此退磁電流下永磁體發(fā)生了明顯的不可逆退磁，永磁體剩磁下降。

圖5 不同退磁電流后的空載反電勢(shì)對(duì)比

除了研究空載工況外，本文還對(duì)帶載工況進(jìn)行了研究，圖6給出了三相定子繞組激勵(lì)源的輸入波形，同樣的，起始時(shí)刻三相繞組通入峰值電流，此時(shí)電機(jī)工作在峰值工況，輸出峰值扭矩；在10ms時(shí)改變?nèi)嚯娏鞯姆导跋辔唬a(chǎn)生退磁電流id，即此時(shí)定子磁場(chǎng)起退磁作用。隨后再通入峰值電流，比較輸入退磁電流前后輸出轉(zhuǎn)矩的變化。

圖6 帶載工況下退磁電流輸入及轉(zhuǎn)矩輸出波形

圖7給出了通入不同退磁電流后峰值輸出轉(zhuǎn)矩的變化，可以看出，當(dāng)d軸退磁電流id小于1.5倍峰值電流imax時(shí)，峰值轉(zhuǎn)矩并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化。但當(dāng)d軸退磁電流id大于1.8倍峰值電流imax時(shí)，隨著d軸退磁電流的增加，峰值轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)明顯的降低。電機(jī)的輸出性能明顯下降，功率密度大大降低。

圖7 定子通入不同d軸退磁電流后的峰值轉(zhuǎn)矩對(duì)比

除此之外，對(duì)永磁體在不同退磁電流下的退磁分布了進(jìn)行分析，首先定義退磁比γ如下：

(2)

圖8給出了定子通入不同d軸退磁電流后的永磁體退磁云圖，當(dāng)退磁電流大于1.8倍最大電流時(shí)，永磁體出現(xiàn)退磁，且隨著退磁電流的增加，永磁體最大退磁比和退磁面積增加，當(dāng)退磁電流大于2.4倍最大電流時(shí)，永磁體大部分面積都出現(xiàn)不可逆退磁；同時(shí)，可發(fā)現(xiàn)永磁體退磁主要集中于永磁體的邊角處，結(jié)合圖9所給出的轉(zhuǎn)子磁密分布和磁力線(xiàn)分布，可知永磁體退磁主要發(fā)生在磁密較高的位置，即隔磁橋附近。因此為了降低永磁體風(fēng)險(xiǎn)，可增加隔磁橋厚度以降低隔磁橋處的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖8 定子通入不同d軸退磁電流后的永磁體退磁云圖

圖9 定子繞組通入id=-1.4*imax時(shí)磁密與磁力線(xiàn)分布

除了d軸退磁電流外，q軸電流對(duì)永磁體的退磁性能同樣具有影響，圖10給出了通入不同dq軸退磁電流后的輸出轉(zhuǎn)矩變化?？芍?dāng)q軸電流為零時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩隨著d軸退磁電流的增加而降低，但當(dāng)q軸電流增加時(shí)，相同d軸退磁電流下的輸出轉(zhuǎn)矩增加，結(jié)合圖9可知，此時(shí)q軸電流起交磁作用，使隔磁橋處的磁密不再集中，永磁體不易發(fā)生退磁。

圖10 定子通入不同dq軸退磁電流后的輸出轉(zhuǎn)矩

2.3 永磁體在不同溫度下的退磁性能

除了退磁磁場(chǎng)外，溫度對(duì)電機(jī)永磁體退磁性能的影響也較大，圖11給出了永磁體在不同工作溫度下、通入相同退磁電流(-2.1*imax)時(shí)的退磁云圖分布?？梢钥闯?，當(dāng)永磁體工作溫度小于60℃時(shí)，永磁體未發(fā)生不可逆退磁；但當(dāng)永磁體大于80℃時(shí)，永磁體開(kāi)始出現(xiàn)退磁，且當(dāng)永磁體工作溫度140℃時(shí)，永磁體出現(xiàn)較大面積的退磁。因此可通過(guò)增加通風(fēng)孔、油冷等方式降低永磁體工作溫度，從而降低永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 相同退磁電流不同溫度下的永磁體退磁云圖

表2給出了不同退磁電流后的電機(jī)性能對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)退磁前后不僅空載反電勢(shì)和轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，齒槽轉(zhuǎn)矩及最大輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也發(fā)生變化，可通過(guò)這些變化來(lái)判斷永磁體是否發(fā)生退磁。

表2 不同退磁電流后電機(jī)性能對(duì)比

3 樣機(jī)與試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所研究電機(jī)的抗退磁能力及有限元仿真的有效性性，制造了樣機(jī)，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行退磁實(shí)驗(yàn)。

退磁實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)以下步驟進(jìn)行：首先測(cè)試樣機(jī)在空載工況、冷態(tài)下額定轉(zhuǎn)速下的反電勢(shì)波形；其次接通三相電源，定子繞組通入1.5倍的峰值退磁電流，此時(shí)iq=0，即定子磁場(chǎng)只起退磁作用；隨后，斷開(kāi)電源，等到電機(jī)冷卻到室溫，測(cè)量其反電勢(shì)；最后對(duì)比兩種狀態(tài)下測(cè)得的空載線(xiàn)電勢(shì)幅值及波形，判斷電機(jī)是否發(fā)生退磁；圖12為三相繞組所通入的退磁電流波形，此時(shí)id=-1.5*1.414*imax。

圖12 三相退磁電流波形

圖13為電機(jī)在退磁實(shí)驗(yàn)前后空載反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比；可以看出，在退磁實(shí)驗(yàn)后空載反電勢(shì)波形并沒(méi)有發(fā)生畸變，其幅值與退磁實(shí)驗(yàn)前基本一致，即可確定此時(shí)永磁體并沒(méi)有發(fā)生不可逆退磁，從而驗(yàn)證了所研究電機(jī)具有較高的抗退磁能力(1.5倍峰值電流)以及有限元仿真的準(zhǔn)確性。

圖13 退磁實(shí)驗(yàn)前后空載反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文以一臺(tái)峰值功率為70kW的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為例，首先對(duì)永磁體的退磁機(jī)理進(jìn)行研究，分析了永磁體發(fā)生不可逆退磁的主要因素，繼而建立了此內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的場(chǎng)路有限元模型，研究了不同退磁電流和溫度對(duì)電機(jī)內(nèi)部永磁體不可逆退磁性能的影響；最后，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出電機(jī)的抗退磁能力。主要結(jié)論如下：

(1)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的退磁主要發(fā)生在隔磁橋處，可降低隔磁橋處的反向磁場(chǎng)磁密以降低永磁體不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)隨著d軸退磁電流的增加，永磁體最大不可逆退磁率和退磁面積增加，空載反電勢(shì)和電磁輸出轉(zhuǎn)矩降低；但當(dāng)q軸電流增加時(shí)，相同d軸退磁電流下的永磁體抗退磁能力增加，此時(shí)q軸電流起交磁作用。

(3)永磁體在不同溫度下的不可逆退磁點(diǎn)不同；隨著溫度的增加，永磁體最大不可逆退磁率和退磁面積也同時(shí)增加。