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永磁电机退磁原因分析

来源：西安泰富西玛电机有限公司发布于：2013/8/7 8:44:39 点击量：

　　4. 3 永磁体稳态温度场分析建立永磁电机转子的模型，永磁体为内置切向结构，模型如图 12 所示。为了方便计算，对求解区域和边界条件做了同 3. 4 节中相同的假设，不做赘述。

　　以计算的永磁体涡流损耗作为热源，直接导入算出永磁体的发热率；根据经验公式算出转子表面的散热系数。假定环境温度为20 ℃ 进行仿1 30沈阳工业大学学报第 35 卷图 4 永磁体在 0. 1 s 内的涡流损耗曲线Fig. 4 Eddy current loss curve for permanentmagnet within 0. 1 s3. 3 永磁体涡流损耗分析为了深入研究齿谐波引起的涡流损耗，对永磁电机的三维模型进行涡流损耗分析。与三维瞬态场不同的是，在添加电流激励源时，给的不是绕组电流，而是整个绕组的安匝数，即绕组电流乘以绕组匝数。后处理过程中，为了方便观察，将模型的其他部分隐藏，只留下一块永磁体进行分析，涡流场仿真结果如图 5 所示。从涡流场的云图中可以看到涡流损耗的数量级为 107W / m2，涡流路径清晰，局部涡流很高。

　　图 5 永磁体涡流云图Fig. 5 Cloud chart of eddy currentfor permanent magnet假设永磁体的电阻率均匀，永磁体涡流的大小与感应电势成正比。由式（ 4）可以看出，感应电势的大小与磁通对时间的变化率成正比，而磁通等于磁感应强度与面积的乘积。将永磁体表面划分为有限个单元，在一个单元的面积上的 υ 次齿谐波产生的磁感应强度［7］为Bυ= Fmυλ0sin（ υωt－ υα） +∑∞k = 1Fmυλk2sin －kZp+（）υ[ α ]+∑∞k = 1Fmυλk2sinkZp+（）υ[ α ]（ 5）式中： Fmυ为磁动势的幅值； p 为基波极对数； Z 为定子槽数； λ 为磁导； λ0为平均气隙磁导； α 为空间电角度。

　　通过求解每个小单元的磁感应强度，求出每个小单元的涡流，再对涡流求和，便可得出整个永磁体的涡流。而齿谐波的幅值和磁导是变化的，当齿谐波的幅值和磁导同时达到最大值时，便会出现图中局部涡流损耗很大的情况。

　　“磁片”是一种对磁场很敏感的器件，当它接近磁场时颜色会发生变化，磁场越强，颜色越深。

　　当“磁片”放在永磁体表面时，可以通过颜色对比，判断永磁体是否失磁。如图 6 所示，技术人员在对永磁体进行磁性能测试时，发现永磁体失磁的部位呈现的形状与永磁体涡流的云图十分相似，从而可以判定涡流的路径就是永磁体退磁的部位。

　　图 6 永磁体磁性能检测Fig. 6 Magnetic detection of permanent magnet3. 4 永磁体的稳态温度场计算涡流损耗会产生热量，需要对永磁电机进行稳态温度场分析。为了方便计算，需要对永磁体求解区域进行简化。根据实际电机结构对称的关系，对其中的一块永磁体进行稳态温度场分析，建立的模型如图 7 所示。

　　图 7 永磁体三维模型网格剖分图Fig. 7 3D-model mesh subdivision forpermanent magnet为了方便计算，对求解区域和边界条件做了如下假设：

　　第 2 期张炳义，等：钕铁硼永磁电机永磁体涡流发热退磁研究129永磁电机退磁原因永磁体退磁可能是一种原因造成的，也可能是多种因素共同作用的结果。从对永磁体外观的检查看出，永磁体并没有发生损伤，排除了机械和化学因素的作用。下面着重分析一下电磁方面的原因。

　　3. 1 永磁体涡流损耗产生的原因电机截面示意图如图 2 所示，假设 p 对极永磁电机定子槽数为 Z，dx 是永磁体上一段圆弧，随着电机的转动，dx 的位置发生变化，dx 对应的面上的气隙磁导也在不断变化。

　　图 2 电机截面示意图Fig. 2 Schematic motor section由于定子开槽，气隙磁导不是沿表面均匀不变，而是以槽距作周期变化，因此，也会有相应的齿谐波产生。气隙磁导的表达式为Λ = Λ0+ ΔΛ （ 2）式中： Λ0为均匀气隙单位面积的磁导； ΔΛ 为磁导变化值。

　　设磁动势为正弦分布的基波交流磁动势，则气隙磁密可分解为频次（ Z/p ± 1）的谐波旋转磁场。在定子绕组电流的作用下，把 a、b、c 三相绕组所产生的 υ 次谐波磁动势相加，可得三相的 υ 次谐波合成磁动势［6］，即fυ（ θs，t） = faυ（ θs，t） + fbυ（ θs，t） + fcυ（ θs，t） =Fυcos υθs·cos ωt + Fυcos（ υθs－120°） cos（ ωt － 120°） + Fυcos（ υθs+120°） cos（ ωt + 120°）（ 3）式中： faυ为 a 相磁动势； fbυ为 b 相磁动势； fcυ为 c相磁动势； Fυ为磁动势的幅值； υ 为谐波次数； ω为电角速度。

　　由式（ 3）可以看出，谐波磁动势的幅值是随时间和空间变化的，而气隙磁导也是变化的，二者的乘积便是磁通 Φ。磁通的变化有两类：一类是由时变电流产生，即磁通是时间 t 的函数；另一类是永磁体与磁场间的相对运动，即磁通是位置变量 x 的函数。

　　由电磁感应定律可知感应电压为e = －dΨdt= －dΦdt（ 4）磁通对时间的变化将产生感应电压，而钕铁硼永磁体材料中含有铁，铁本身是导体，产生的感应电压便会在永磁体的表面产生电流，即涡流。而涡流产生的涡流损耗便会在永磁体表面产生热量。

　　3. 2 永磁体涡流损耗计算从故障的情况看，永磁体及转子轭的膜遭到破坏应该是高温导致的结果。考虑电机的结构对称，为了方便计算，利用有限元软件建立了电机的1 /8 模型，即一对磁极的模型，如图 3 所示。

　　图 3 500 kW 永磁电机三维模型Fig. 3 3D model for 500 kW PMSM对永磁体进行涡流损耗计算有两种方法：一种是瞬态场里面，通过设置得到 SOLID LOSS，而SOLID LOSS 就是永磁体的损耗；另一种在涡流场中，通过场计算器求解。本文采用第一种方法，只对永磁体设置电导率、涡流效应（ set eddy effects）和零电流，但硅钢片不应设置电导率和涡流效应，进而忽略硅钢片的涡流损耗。 SOLID LOSS（实体导体损耗）是指任何实心物体材料的损耗。由于只对永磁体设置了涡流效应，因此，在后处理的过程中，SOLID LOSS 的损耗就是永磁体的损耗。用有限元分析永磁体涡流损耗，结果如图 4 所示。通过软件的计算，所有永磁体的涡流损耗的有效值为 3. 19 kW.为若干速度区间。受齿谐波的影响，在永磁体的表面会产生涡流损耗，涡流损耗的大小与转速和槽数的乘积成正比，涡流损耗以热的形式表现。对于表贴式永磁电机的设计，以下几种情况要充分考虑涡流发热对永磁体的影响： 1）高频永磁电机；2）槽口较大的电机； 3）槽数较多的电机； 4）极数较多的电机。

　　图 16 电机转速分类Fig. 16 Classification of motor speed本文针对500 kW 永磁电机故障进行了检测，并对失磁原因进行了分析，通过分析判明永磁体涡流发热使其退磁。在 600 kW 样机的研制过程中，提出一些改进措施。实验表明，在新的样机中采取的措施是有效的，效果良好，这为日后相关电机的设计提供了宝贵的经验。

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