異步起動永磁同步電機起動過程中永磁體的退磁研究

朱麗莎，范國棟，朱常青

(山東大學，濟南250061)

0 引 言

異步起動永磁同步電機是具有自起動能力的永磁同步電機，兼有感應電動機和電勵磁同步電動機的特點，具有結構簡單緊湊、能量密度高等優點［1］。目前永磁同步電機最大劣勢在于永磁磁場的波動和永磁體失磁問題:由于釹鐵硼永磁材料溫度穩定性較差，其不可逆損失和溫度系數都較高，導致高溫下磁性能損失嚴重，隨著材料不同，退磁曲線將極有可能出現膝點，造成在電機起動、剎車或故障情況下電流激增，工作點向退磁曲線的膝點移動，造成永磁體的不可逆退磁［2］，影響電機整體的運行性能。異步起動永磁同步電機在起動時，永磁體存在較大的退磁風險，因此，對起動過程中永磁體的退磁分析具有重要的研究意義。

文獻［3－4］表明異步起動永磁同步電動機起動時，當轉子轉速接近同步時，永磁體的退磁現象最為嚴重。定、轉子合成磁場軸線與永磁磁場軸線間夾角不斷變化，當兩軸線夾角小于90°時，起增磁作用;大于90°時，起去磁作用，當兩軸線反向時，去磁作用最為明顯。本文在此理論的基礎上，建立了計及飽和、溫度等多種因素影響的時步有限元模型，以一臺15 kV、4 極鼠籠轉子結構的異步起動永磁同步電機為例，分析了轉子鼠籠電流產生的轉子直軸磁動勢對于定子繞組直軸產生的屏蔽作用，在不同負載起動的條件下，對永磁體的退磁預估以及永磁體參考點的磁密變化進行觀察比較，得出永磁體的最大退磁磁場與參考點磁密及電機轉速之間的關系，進而對永磁體的退磁規律進行了總結歸納。并且根據定轉子合成磁動勢對永磁體產生最大退磁時刻的退磁預估場圖，重新建立了最惡劣起動過程中退磁后的有限元模型，分析了永磁體的退磁作用對電機起動性能的影響。計算結果與理論結果相吻合，驗證了有限元計算方法的準確性和有效性。

1 電機結構參數及有限元模型的建立

選用一臺15 kV、4 極鼠籠轉子結構的異步起動永磁同步電機，具體參數如表1 所示。利用Magnet軟件進行本文中電機模型的有限元求解分析，有限元模型如圖1 所示。

表1 異步起動永磁同步電動機結構參數

圖1 電機有限元模型

2 基于有限元分析鼠籠轉子的屏蔽作用

三相定子繞組通以三相對稱電流時產生的空間旋轉磁場，其作用在轉子繞組上，利用電磁與機械能的相互轉化，產生起動轉矩。在電機受到小干擾和轉速波動時，轉子結構也能起到阻尼衰減作用，使電機更快的恢復穩態。根據透入深度，氣隙內定子繞組磁動勢亦可以透過轉子導條及鐵心，影響永磁體的磁性能，轉子磁動勢對此有相反的作用，即屏蔽作用。

永磁體的充磁方向為直軸(d 軸)，交軸(q 軸)超前于d 軸90°，將d 軸與q 軸確定為與轉子一起旋轉的兩相虛擬繞組的軸線。由于在Magnet 中，可以方便地求取定子三相繞組及轉子鼠籠導條的電流，因此，對定轉子繞組分別進行三相－兩相及多相－兩相的Park 變換。θ1，θ2為定子A 相繞組及鼠籠轉子1 號導條相對于d 軸的初始角度，如圖2 所示。

圖2 定轉子初始角度的確定

由Park 變換，電機在不同負載起動時，定子繞組等效變換后的直軸磁動勢Fds、轉子導條等效變換后的直軸磁動勢Fdr隨時間的變換曲線如圖3 所示。

圖3 不同負載下定、轉子直軸磁動勢

比較三種負載起動時磁動勢隨時間的變換曲線可以看出，隨著起動時間的增加，對于永磁體起去磁作用的直軸磁動勢脈動出現次數明顯增多，數值增大，增加了永磁體去磁的風險。隨著定子電樞反應直軸磁動勢的波動，轉子鼠籠繞組的直軸磁動勢具有較好的響應與屏蔽作用。由于轉子鼠籠電流產生的轉子直軸磁動勢對于定子繞組直軸產生了屏蔽作用，所以在很大程度上削弱了定子繞組直軸去磁磁動勢對于永磁體的影響。

3 異步起動過程中退磁分析

3.1 有限元軟件Magnet 中的退磁預估

對于永磁材料，所處的磁場將有可能使其產生不同程度的退磁，Magnet 可以使用退磁預估磁場分析，對于退磁區域進行標示。如果退磁發生，則Magnet 中會以紅色表示退磁區域，在沒有退磁的區域，將以藍色表示。

3.2 永磁體磁密參考點的選取

由于電機磁場內周期對稱性，N 極與S 極所處空間位置的磁場大小相等、方向相反，但兩者充磁方向反向，故磁密變化具有相同的趨勢，因此僅分析N1 極的平均磁密，即可選取極N1 下W 型四塊永磁體的中心點，如圖4 中的P1、P2、P3、P4所示，坐標如圖中所標示，其中，Bcp1、Bcp2、Bcp3、Bcp4分別各點的磁密。

圖5 為電機在額定負載起動過程中，四塊永磁體中心點P1、P2、P3、P4的磁密隨時間的變化曲線。由圖5 可知，由于對稱性，P1、P4點以及P2、P3的磁密曲線分別具有較好的一致性，且Bcp1、Bcp2、Bcp3、Bcp4隨時間的變化趨勢較為一致，在最小值出現時刻上，前后偏差不超過2 ms，所以選取N1 極中第2塊永磁體的中心點P2為磁密參考點。

圖5 參考點磁密

3.3 重載起動時的退磁分析

異步起動永磁同步電機在額定工作溫度下帶三倍重載起動，利用有限元仿真，得到永磁體參考點磁密、轉速隨時間的變化曲線及磁密隨轉速的變化曲線，如圖6 所示。永磁體N1 在空間上跨度(電角度)為157.5°，以P4點所在的永磁體塊的對稱線為起點，P1點所在的永磁體塊的對稱線為終點。在永磁體N1 的空間區域內，定轉子合成磁動勢隨時間的變化曲線如圖7 所示。

圖7 N1 區域內定轉子合成磁動勢的變化曲線

由圖6 知，重載起動過程中，隨著轉速的增加，永磁體參考點磁密出現三次極小值，分別對應的時刻為t1=12.5 ms，t2=35.5 ms 以及t3=67.5 ms，且在t3時刻達到最小值，此時電機轉速為1 021 r/min，約為2/3 倍同步速(同步速為1 500 r/min)。由圖7 知，在永磁體N1 的空間區域內，出現了3 次明顯的退磁磁動勢集中時間段(橢圓形區域)，且中心處與t1，t2，t3相對應。三個時刻下，永磁體的退磁風險預估如圖9 所示。

圖8 t1，t2，t3 時刻永磁體退磁風險預估圖

由退磁風險預估圖形可知，在參考點磁密出現極小值時，永磁體從邊角開始，產生了不同程度的退磁風險。其中出現最大退磁面積與Bcp2的最小值時刻t3相一致。三個最大退磁面積時刻對應的參考點磁密Bcp2、定轉子合成磁動勢Fdp2以及其與永磁體d 軸的夾角如表2 所示。

表2 不同退磁時刻下對應的場量

由表2 可知，重載起動時，永磁體存在多次較大退磁風險，這些時刻，參考點磁密達到極小值，定轉子合成磁場與永磁磁場夾角較大，且在t3時刻產生最大退磁，永磁體參考點磁密達到最小值，定轉子合成磁動勢達到負的最大值，定轉子合成磁場與永磁磁場接近反向，轉速接近同步速。

3.4 起動過程中退磁現象總結

在額定工作溫度下分別對空載、額定負載以及重載起動情況下的電機模型利用Magnet 軟件進行有限元仿真，三種起動條件下，由退磁風險預估永磁體出現最大退磁時的計算結果如表3 所示。

表3 最大退磁時不同負載下的計算結果

退磁磁場的波動次數隨負載的增加而增加，而在轉速接近同步速時出現最大退磁風險，最小參考點磁密對應了最大退磁風險預估面積。定、轉子合成磁動勢作用在永磁體上，當與充磁方向相反的最大去磁磁動勢出現時，將使得永磁體的磁密最小，退磁風險最大。

4 永磁體退磁對電機起動性能的影響

4.1 永磁體退磁后模型的建立

本電機模型所使用的永磁體材料在不同溫度下所對應的退磁曲線上的拐點如圖9 所示［5］。

圖9 NdFeB 在不同溫度下的拐點

電機絕緣等級為B 級，最高工作溫度為130℃，額定工作溫度75℃。在額定工作溫度以下，永磁體材料在第二象限無拐點。溫度上升，磁性能下降，退磁曲線右移，第二象限出現拐點，當溫度分別為100℃以及120℃時所對應的拐點磁密分別為0.072 T 以及0.090 T。在上述內容中，分析了同步電機在額定工作穩定下，3 倍轉動慣量起動時的退磁風險預估情況。假使電機處于長期過載運行、環境溫度較高或者冷卻措施失效，在停機再次迅速起動。在起動過程中，電機本體溫度穩定在前一運行狀態的平衡值，根據工作情況不同，而可能遠遠超過額定運行溫度。為了分析在高溫重載起動過程中永磁同步電機內永磁體退磁以及退磁對于電機的性能改變情況，現假定溫度分別為100℃以及120℃，在Magnet中重新設置釹鐵硼的退磁拐點后，以同樣的分析方法處理后，將兩種溫度重載起動過程中，永磁體最嚴重的退磁情況繪制如圖10 所示。

圖10 高溫重載起動時最大退磁情況

從圖10 可看出，在改變永磁材料去磁拐點后，永磁體退磁面積隨著溫度的上升而明顯增大。現將退磁區域(白色表示區域)的材料設置為空氣，永磁體區域內透明部分(與背景同色)是用空氣替代局部退磁的永磁體部分，如圖11 所示。

圖11 永磁體退磁后模型的建立

4.2 退磁前后電機起動性能比較

4.2.1 空載反電動勢E0

在相同重載起動工況下，隨著溫度的上升，局部退磁面積增加，永磁體有效截面積減少，永磁體產生的磁通減小，空載相電動勢減小，以A 相繞組為例，圖12 為不同溫度下空載反電動勢FFT 分解后的基波圖形及奇次諧波分量圖。

從圖12 中可以看出，永磁體發生退磁后，空載反電動勢將變小，且隨著退磁后溫度的上升，E0基波幅值明顯減小，而奇次諧波幅值有所增加，繼而影響波形質量。從基波幅值來看，75℃時為308.486 V，100℃時為256.523 V，120℃時為204.644 V，較額定值分別減小了16.9%以及33.7%。電機極對數為2，且在4 個極的永磁體上的退磁具有對稱性，所以反電動勢具有較好的對稱性以及周期性。但是以N1 極的4 塊永磁體為例，隨著溫度的上升，起動過程中的最大去磁時刻產生的去磁面積分布并不均勻，如在120℃時，第1 塊永磁體去磁區域較其他3塊更明顯，即第1 塊永磁體產生的磁通值要小于第4 塊永磁體，而永磁體的充磁方向已經固定，所以永磁磁場的軸線將超前原d 軸一個電角度，使得A 相繞組的空載反電動勢的波形也超前相同的角度。

4.2.2 氣隙磁密Bair

圖13 為不同溫度下氣隙磁密及FFT 分解后的基波波形及奇次諧波分量圖。

圖13 氣隙磁密

由圖13 可知，永磁體退磁后，氣隙磁密將變小，且隨著退磁后溫度的上升，使Bair以及基波在幅值上都有了明顯的減小，而奇次諧波分量有所增加。75℃、100℃、120℃時所對應的基波磁密分別為0.807 T、0.668 T 以及0.534 T。隨著溫度升高，局部退磁面積增加以及較高溫度下的不對稱退磁的發生，所以不同溫度下磁密以及基波磁密幅值圖形均有所偏差。

4.2.3 A 相穩態電流

不同溫度下穩態時電機的A 相定子繞組電流以及電流基波曲線如圖14 所示。

圖14 A 相穩態電流

由圖可知，從260 ms 到300 ms，共取了2 個周期。隨著溫度的上升，永磁體局部退磁面積的增加，電流有增加的趨勢，75℃、100℃、120℃時A 相繞組基波幅值分別為34.092 A、34.630 A、56.530 A，對應的時間t1、t2、t3分別為265 ms、266 ms、268 ms。

不同溫度下的電流在時間上的滯后現象可以用永磁同步電機的相量圖來解釋。激勵電壓保持恒定，由于永磁體局部去磁而使得相空載反電動勢減小，為產生與相同負載轉矩相平衡的電磁轉矩，定子電流幅值增大。本電機模型功率因數0.95(滯后)，E0減小引起功率因數的減小，從而功率因數角增加，由于參考線電壓相量角變化情況相同，所以在3種溫度下的線電流所滯后的相位角度將增加。

4.3 總結

在重載起動過程中，永磁體發生最大退磁后，隨著溫度的升高，永磁體材料的退磁拐點磁密值增大，局部退磁面積增加，不對稱退磁趨于明顯。由于有效永磁體截面積減小，空載反電動勢E0、氣隙磁密Bair波形幅值以及基波幅值減小，諧波幅值增加，波形質量變差。在相同電壓源激勵以及相同負載轉矩下，空載反電動勢減小，使得產生與負載轉矩相平衡的電磁轉矩時的功角增大以及定子電流增加，會產生進一步退磁。

5 結 語

以一臺15 kV、4 極鼠籠轉子結構的異步起動永磁同步電機為例，分析了鼠籠轉子直軸磁動勢的屏蔽作用，并在不同負載起動條件下，利用Magnet 有限元仿真，觀察永磁體的退磁預估及參考點的磁密變化，分析得出均是在轉速接近同步速附近時出現最大退磁風險，最小參考點磁密對應了最大退磁風險預估面積。定、轉子合成磁動勢作用在永磁體上，當與充磁方向相反的最大去磁磁動勢出現時，將使得永磁體的磁密最小，退磁風險最大。并且根據定轉子合成磁動勢對永磁體產生最大退磁時刻的退磁預估場圖，重新建立了最惡劣起動過程中退磁后的有限元模型，對比分析了退磁前后的電機性能。

［1］ 王秀和. 永磁電機［M］. 北京:中國電力出版社，2007:191－192.

［2］ 肖曦，張猛，李永東.永磁同步電機永磁體狀況在線監測［J］.中國電機工程學報，2007，27(24):43－47.

［3］ 唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］. 北京:機械工業出版社，1997:185－188.

［4］ 王秀和，楊玉波，朱常青. 異步起動永磁同步電動機［M］. 北京:機械工業出版社，2009:159－161.

［5］ 周鳳爭.高速永磁無刷直流電機轉子渦流損耗的研究［D］. 杭州:浙江大學，2008.