永磁同步電機轉子退磁問題分析

吳進，張干

(上海汽車變速器有限公司，上海 201807)

0 引言

永磁同步電機因具有高功率密度、高效率等優點，被廣泛應用于電動汽車的驅動系統中。釹鐵硼(NdFeB)永磁材料由于具有較高的最大磁能積(BH)max、剩磁Br和矯頑力Hc，被廣泛應用于永磁電機[1]。但釹鐵硼永磁材料的熱穩定性不夠理想，磁性溫度系數較高，高溫運行時可能導致嚴重磁損，且在某些工況下若電流激增，也將導致不可逆退磁[2]。本文作者以一臺在溫升試驗中發生轉子退磁故障的電機為例，對失效原因進行分析，找出引發退磁的相關影響因素和風險程度，同時驗證電機的穩定性和可靠性。

1 試驗現象

文中所研究的對象為某高速電機，該電機為釹鐵硼永磁同步電機，冷卻方式為水冷，最高轉速15 000 r/min。

為驗證該電機在高速工況下運行的可靠性，計劃進行連續3個高速負載工況的臺架溫升試驗。工況一：15 000 r/min@55 kW，測試時長45 min；工況二：15 000 r/min@70 kW，測試時長6 min；工況三：15 000 r/min@100 kW，測試時長60 s。在實際試驗過程中，在工況三進行到23 s時，電機溫度達到最高許用溫度179 ℃，軟件報故障停機。清除故障重新上電后，發現電機的輸出功率明顯小于輸入功率。隨后測量了電機的反電動勢，與正常值相比下降了50%左右，如圖1所示。由此判斷，電機轉子發生了不可逆退磁。

2 失效件拆解

將轉子總成從電機中拆出后，用磁極觀察片觀察發現，轉子中間區域退磁嚴重，如圖2(a)所示。

圖2 用磁極觀察片觀察轉子總成和單片磁鋼

進一步拆解轉子，透過觀察片觀察單片磁鋼，發現部分磁鋼局部退磁且存在磁極反向現象，如圖2(b)所示。

拆解轉子中的每一片磁鋼，逐個檢測磁通，并按照磁鋼所在的鐵芯層(共6層)和轉子周向角度位置繪制各層磁鋼的磁通分布曲線，如圖3所示，可以得出，不同鐵芯層中的磁鋼退磁程度差異較大，轉子兩端(1、2、6層)的磁鋼退磁不明顯，而轉子中間層(3、4、5層)的磁鋼退磁較為明顯，特別是第4層退磁最為嚴重。

圖3 各層磁鋼磁通分布曲線

3 永磁體退磁的潛在原因分析

永磁體退磁的潛在原因有很多，比如高溫、機械振動、撞擊、化學腐蝕、反向磁場、輻射、自然失效等，其中，高溫和反向磁場是引起永磁體退磁的主要原因。

3.1 高溫退磁

釹鐵硼永磁材料最突出的不足之處是熱穩定性較差，居里溫度較低，一般為310～410 ℃，剩余磁感應強度溫度系數αBr可達-0.13%K-1，磁化強度矯頑力溫度系數αHci達-(0.6～0.7)%K-1，溫度過高可能導致永磁體發生不可逆退磁[3]。高溫來自于兩個方面：一是轉子鐵芯和磁鋼本身的渦流發熱引起溫升；二是定子向轉子的傳熱。當電機處于高速弱磁工況時，電機自身的合成磁場就會存在大量的諧波，導致永磁體的外部形成渦流，進而引起永磁體溫度上升。相對轉子的發熱而言，定子繞組的溫升往往更快，定子與轉子間的溫度差導致定子通過空氣對流向轉子傳熱，盡管定、轉子間的氣隙熱阻較大，但隨著時間的延長，定子與轉子的溫差將逐漸減小。

3.2 反向磁場

在永磁同步電機的矢量控制策略中，主要分兩個控制階段：MTPA(Maximum Torque per Ampere，最大轉矩電流比)控制階段和MTPV(Maximum Torque per Voltage，最大轉矩電壓比)控制階段。在高速負載工況下，電機控制處于MTPV控制階段，電樞反應磁場和永磁體磁場方向相反，有一定的退磁風險，若此時控制系統不穩定、控制參數不準確尤其是出現故障異常狀態，可能出現過大的動態電樞電流，產生較強的反向磁場，引起永磁體均勻退磁或部分區域的非均勻退磁[4-5]。

4 電機溫度分布仿真

電機的定子繞組端部埋有溫度傳感器，在臺架測試時定子溫度可實時讀出，但轉子的溫度卻難以測量。為了解高速負載工況下電機的定、轉子之間溫度差異，以工況一(15 000 r/min@55 kW)為例，對整個電機的溫度分布情況進行了仿真計算，結果如圖4所示。可知：由于冷卻水道的影響，電機定子繞組的外側溫度較低，而繞組端部及內側溫度較高，為150 ℃左右；而轉子的溫度分布軸向上呈現出中間高、兩頭低的趨勢，兩端的溫度與定子繞組端部接近，為140～160 ℃，而中間區域溫度明顯高于轉子兩端和定子繞組，最高溫度高達230 ℃以上。這一溫度已經超過了產品磁鋼的工作耐溫極限(200 ℃)，部分磁鋼確實有高溫退磁的風險。在工況二、工況三下，隨著輸出功率的進一步提升，定、轉子溫度也會進一步升高，磁鋼高溫退磁的風險會越來越大。

圖4 工況一(15 000 r/min@55 kW)下電機溫度分布圖

5 退磁試驗分析

由于電機內部溫度分布復雜，仿真值與實際值可能存在一定的誤差，接下來采用試驗的方式對永磁體退磁的相關原因進行驗證。

5.1 永磁體退磁試驗

首先進行永磁體單體試驗。為排查磁鋼在高溫下的退磁風險，取3塊磁鋼產品，測初始磁通，再放入烘箱，在200 ℃的溫度下保溫2 h，冷卻至室溫后復測磁通，得到試驗后磁通衰減率數據見表1。

可知：磁鋼在200 ℃高溫下具有較高的磁穩定性，磁性基本無衰減。取1號、3號磁鋼，用磁極觀察片觀察可見磁鋼表磁形態清晰、邊緣完整，未見任何異常，如圖5所示。

圖5 磁鋼表磁形態

為進一步考查磁鋼可靠性，又進行了兩組高溫加反向充磁的復合試驗。一組是將3塊磁鋼產品在150 ℃下保溫30 min，后快速移至充磁現場，采用1 T磁場反充磁，后冷卻至室溫測磁通；另一組是將3塊磁鋼150 ℃下保溫30 min后用2.25 T磁場反充磁，后冷卻至室溫測磁通，測量數據見表2。可知：在較高溫度下，當外加反向磁場達到一定強度，磁鋼會出現不可逆退磁，隨著反向磁場強度不斷增強，磁鋼的不可逆退磁也會越來越嚴重。

表2 磁鋼高溫+反充磁試驗前后磁通變化

5.2 電機退磁試驗

基于上述永磁體單體試驗，接下來需進一步在電機上進行相關退磁試驗。由永磁體的退磁試驗可知反向磁場的大小與永磁體退磁程度直接相關，這里先進行電機弱磁電流退磁試驗。

5.2.1 大弱磁電流退磁試驗

選一臺合格電機，首先測試工況一、二、三的直軸電流Id(弱磁電流)曲線，分別如圖6(a)、6(b)所示，可知工況一、二、三的Id最大值分別為-320、-350、-400 A。為驗證大弱磁電流對電機磁鋼退磁的影響，設定電機轉速為1 000 r/min(若電機轉速較高，在較大的弱磁電流下，電機溫升會很快，難以客觀評價單純弱磁電流對退磁的影響)，將Id進一步提升至-600 A，保持60 s，如圖7所示，后復測電機性能，發現輸出扭矩無衰減，磁鋼未退磁，可以得出：大弱磁電流不會導致電機磁鋼退磁。

圖6 工況一、二、三的Id(弱磁電流)曲線

圖7 Id為-600 A時的退磁試驗

5.2.2 轉子溫度實測試驗

與定子不同，由于轉子高速旋轉，轉子溫度的直接測量一直是較為困難的，一般來說有3種方式：(1)在轉子中預埋溫度試紙；(2)在轉子中預埋溫度傳感器；(3)無線遙感測試。考慮到溫度試紙測量精度較差，且僅能記錄單一最高溫度，而遙感測試代價較高、準備周期較長，本文作者采用方式二。試驗前，需要對轉子總成做一些“改造”，先在轉子端部的一層鐵芯的磁鋼旁埋置溫度傳感器測量頭，傳感器線穿過事先鉆好小孔的電機軸(空心軸)，并從電機軸的空腔內部引出，然后用膠灌滿電機軸空腔，靜置待其凝固，從而使傳感器線固定在電機軸內，避免轉子高速旋轉時線被甩斷。試驗過程中由于轉子高速旋轉，傳感器的引出線端與數采設備是未連接的，讀數時需停機并將傳感器連上數采。試驗時，先進行工況一(15 000 r/min@55 kW，45 min)(由于臺架原因，電機最高轉速被限制在15 000 r/min)測試，后快速停機、接線、測溫度，再斷開傳感器，連續進行工況二(15 000 r/min@70 kW，6 min)和工況三(15 000 r/min@100 kW，60 s)測試，后停機、接線、測溫度。最后復測電機輸出扭矩，無衰減，磁鋼未退磁。定、轉子的起始溫度和試驗后的溫度情況見表3。可知：在3個工況結束后，轉子最高溫度在152 ℃左右，與定子溫度相近。需要注意的是，由于試驗條件限制，轉子中的溫度傳感器埋置在轉子端部而非中心區域，結合前文電機溫度分布仿真的結果可以推測，轉子軸向中心部分的溫度會更高。在如此的高溫、大弱磁電流的惡劣工況下，磁鋼沒有發生退磁，可見電機中永磁體的磁穩定性較高。

表3 轉子溫度測試試驗數據

基于上述分析和試驗，初步推測失效電機并非因正常工作下的高溫和弱磁電流導致。為驗證這樣的推測，最后進行電機相同工況的復測試驗。

5.2.3 電機退磁工況復測試驗

為保證試驗的一致性，采用相同的電機(僅更換了失效的轉子總成)，并在相同的臺架上進行試驗。工況一為15 000 r/min@55 kW，測試時間45 min；工況二為15 000 r/min@70 kW，測試時間6 min；工況三為15 000 r/min@100 kW，測試時間為60 s。3個工況測試的溫度和扭矩隨時間變化的曲線分別如圖8、圖9、圖10所示。圖10中，由于定子溫度傳感器的測試量程最多到180 ℃，180 ℃以上為預估溫度。

圖8 工況一(15 000 r/min@ 55 kW)溫升測試

圖9 工況二(15 000 r/min@70 kW)溫升測試

圖10 工況三(15 000 r/min@100 kW)溫升測試

整理3個工況的數據，并與首次試驗的數據(由于臺架原因，首次測試的輸出扭矩未做記錄)對比見表4。

表4 兩次電機溫升測試數據對比

可知：從電機溫度上看，第二次測試比第一次測試更為嚴苛，在電機溫度達到179 ℃后繼續進行了30 s左右的溫升，預測電機最高溫度達到217 ℃左右。實際上電機正常工作時軟件帶有過溫保護功能，電機溫度一旦達到179 ℃時，軟件就會將扭矩指令降為0，第二次測試時為了加嚴試驗，禁用了軟件過溫保護。待電機冷卻后，復測扭矩無衰減，磁鋼未退磁。說明電機系統正常工作時永磁體具有較高的磁穩定性，同時可以推斷首次試驗時永磁體的退磁失效為非正常的弱磁電流在電機高溫運行時導致。

6 結論

針對某三合一電機轉子退磁問題，通過永磁體退磁影響因素理論分析、電機溫度分布仿真、退磁試驗等方法進行了分析，得出以下結論：

(1)所分析的電機在正常工作時具有較高的熱穩定性和磁穩定性，失效原因應為電機高溫工作時受到異常弱磁電流產生的反向磁場作用導致。

(2)要保證電機中永磁體的磁穩定性，除了選用耐溫等級足夠的磁鋼之外，還要高度關注電機控制器的控制，特別是要保證電機高轉速區弱磁控制的可靠性與穩定性。