面向有限元下壓縮機用永磁同步電機的退磁研究

陳錦波

摘 要：在新時期環境下，諸多電器設備中的壓縮機會用到永磁同步電機，而此類電機實際運行狀態直接對壓縮機的性能造成影響，其中永磁同步電機的退磁情況則會嚴重影響其電機的運行，這就需要做好對壓縮機用永磁同步電機的退磁研究，盡可能避免這種情況的發生。下面，本文就以有限元的方法實施評價方法的構建，來對壓縮機用永磁同步電機的退磁實施研究，希望對相關工作的開展提供參考。

關鍵詞：有限元;壓縮機;永磁同步電機;退磁研究

目前空調成為了人們生活和工作中不可或缺的電器設備，而為了更好提升空調的舒適性以及能效性，對變頻空調的研發力度逐漸增加。而變頻空調內壓縮機所用的是永磁同步的電機實施驅動，但當電機發生異常的情況后，可能導致瞬時的電流突然增加，使永磁體發生不可逆的退磁情況，進而對電機運行性能產生影響。而想要實現電機能夠正常和穩定地運行，就需要對電機設計期間就需要做好對其退磁的研究，避免后期出現異常現象。

1.壓縮機用永磁同步電機的退磁原理分析

現階段空調所用變頻壓縮機其內部電機一般采用釹鐵硼磁鐵，其基本的磁性能情況，可以通過磁滯回線進行反映，也就是B=f（H） ，釹鐵硼磁鐵磁感應強度B大小會隨磁場強度變化而發生變化， 如下圖1。

按照上圖進行分析，當一塊沒有磁化的釹鐵硼磁鐵位于變化的磁場對其進行磁化時，磁化曲線先自坐標的原點0起始，其磁感應強度B會隨磁場的強度增加而增大，且漸漸趨于a點飽和的狀態。后再增加外加磁場的強度，B基本是保持不變的，此時a點所對應的磁感應強度Bs被稱作飽和磁感應強度 [1]。

在釹鐵硼磁鐵進行充磁且達到了飽和狀態后，此時逐漸減小外加的磁場強度，則釹鐵硼磁鐵內磁感應強度也會隨之逐漸減小，而B-H的關系不依照0a曲線下降， 而是按圖1內的ab曲線下降。在外加的磁場是零時，釹鐵硼磁鐵內磁感應的強度為Br，此時B發生的變化比H變化存在滯后性。即H為0時，B的值是Br， 此現象就是釹鐵硼磁鐵的磁滯特性，而Br為磁感應的剩余強度。如果此時對外加的磁場方向實施改變，且逐漸朝相反的方向進行增大，B-H的關系就會按照圖1內曲線b a變化，并實現負向飽和，保持外加磁場方向不變，減少磁場強度，磁鐵內磁感應強度對應減少， B-H的關系就會按照圖1內曲線 a b變化，后若再改變磁場方向，增加外加磁場強度，此時磁鐵內磁感應強度再逐漸朝正值進行增加，其B-H的關系就會按照曲線的bca發生變化。當外加的磁場反復按照上述變化，則永磁體的材料就會發生循環的磁化，就能夠得到圖1所對應磁滯回線。

當釹鐵硼磁鐵置于退磁磁場中時，其退磁曲線如下圖2

已充磁永磁體承受磁場強度Hk退磁磁場時，其磁感應的強度就會沿退磁曲線朝k發生位移，在移動至k位置后，若對退磁磁場的強度減小或者消除，其磁感應的強度會沿著kBr發生移動。在釹鐵硼永磁材料基于高溫條件下，若退磁的磁場強度（Hp）較大的話，退磁的曲線就會發生拐點，而拐點以上位置永磁材料具有回復線和原退磁的曲線是重合的，但拐點以下位置回復線是比原退磁的曲線要低的。當回復線上部剩磁比Br小時，就會導致釹鐵硼的永磁材料發生不可逆的退磁現象。而當此種情況一旦發生，就會使壓縮機的整體效率出現下降，存在質量風險的隱患。

2.電機退磁有限元分析法概述

對于有限元分析法來說，它將麥克斯韋的方程當作基礎，進而通過相應仿真性軟件來實施相關模型的構建，其中麥克斯韋的方程組為：

在上式內，G是求解的區域，T1和T2分別是定子部分的邊界和永磁體的邊界，Js是傳導電流的密度，A是矢量的磁位，μ是磁導率，v1和v2是磁阻率，δc是永磁體的矯頑力，而n低永磁體的邊界處外法向的單位矢量值。

在有限元法中，把求解區域內部件實施剖分處理，把一完整性區域實施多個數量離散型小三角形類單元、節點的分劃，后于各單元中實施關于磁位矢量相關插值函數的構建[2]。把條件變分的問題實施離散化處理，就能夠將其轉變成關于多元函數內求極值的情況，也就是將其變為各節點位置磁位矢量有關代數的方程組形式，并對各節點位置磁位矢量具體數值實施求解。以有限元法，通過仿真建模的手段來對永磁體區域內退磁情況實施研究。對永磁體的具體材料相關B-H的非線性曲線向模型內實施輸入，并通過靜態磁場的理論實施反復迭代的計算處理。

3.電機退磁有限元模型的構建和分析

3.1構建有限元相關模型

在本案例研究中，研究的對象是7.5kW的壓縮機其永磁同步的電機，其詳細的信息如下表。按照電機的參數實際情況，依據有限元法實施相應模型的構建，并根據各部件內材料情況對其材料實施屬性的賦予。

3.2對退磁評價的參數設置

在大量的研究中，通過仿真手段對永磁體實施退磁的評價法是比較多的，有退磁率的對比以及輸出轉矩的對比等法。因為在電機若在空載的狀態條件下，對反電動勢實施實驗測試較為簡單，且測試具有很好的精度，同時對其反電動勢出現數值降低的情況也較為直觀，因此在本文的分析中就以空載狀態條件下實施反電動勢的對比測試。按照空載狀態反電動勢的公式實施計算如下：

E0=4.44fKdpNΦδ0KΦ ? ? ? ? ? （2）

上式內，f是電機轉子的轉動頻率值，Kdp是繞組的系數，N是電機繞組的匝數，Φδ0是空載的主磁通，KΦ是氣隙磁通的波形系數值。按照上式（2）能夠得知，E0是和空載的主磁通Φδ0存在正比關系。在永磁體出現退磁情況后，則永磁體的工作點發生下降，而空載的主磁通 Φδ0發生下降，對空載的反電動勢產生影響，導致E0發生下降。

為對退磁的大小實施有效對比，可把退磁后所得到反電動勢 （E'0 ）和退磁前所存在的反電動勢（E0）實施比對處理，并將其通過退磁比例K進行設定，也就是如下的公式計算：

K=（1-E'0 /E0）×100% ? ? ? （3）

在對退磁比例的系數K實施計算后，就能夠對永磁體的平均退磁具體大小直觀了解。在有限元的求解分析中，其流程主要是開始、仿真步驟、空載狀態反電勢的仿真E0、轉速設為0、永磁體的溫度設為150℃、通過電壓源對兩相短路的電流I進行通入、對永磁體的溫度設為20℃、空載狀態反電勢的仿真E'0 、對退磁的比例實施計算、繪制曲線。

對電機運轉的狀態實施觀察和分析，對其實施仿真測試。將仿真的速度設置為1000r· min-1、溫度設施20℃、輸入電流是0時，在0-0.02t/s內電機是空載狀態仿真且對電機線間的反電勢實施測試;當溫度條件改成150℃后，且進行短路電流的通入，電機是堵轉的狀態;再次以電機空載的狀態條件下實施仿真，對其反電動勢進行測試，后對前后兩次所進行反電動勢的實際降低比例實施對比，就能夠對永磁體的退磁比例進行計算[3]。

3.3對退磁的仿真結果進行分析和討論

依據上述的分析，來對電機模型實施構建并進行仿真性計算，就能夠得到永磁體的退磁率相應云圖。對電機內進行70A的電流接通，進而在永磁體的兩端位置就會發生云圖的情況，因此這就說明了永磁體的兩端位置存在不可逆性退磁的現象，且在永磁體的角上部位存在的退磁比為2%。在對電機依據不同大小的電流值接通操作后，得知其和退磁呈現相應比例關系，如下表內顯示的情況。

對于永磁電機的退磁來說，不僅和電機的結構、永磁體的牌號和定子繞組的匝數等存在關系，且還和退磁的電流幅值存在關聯，如下圖1所示，就是退磁電流和退磁比例的系數曲線情況。根據圖1能夠得知，在退磁的電流呈現出不斷增加的情況下，其永磁體的退磁面積和退磁的程度也隨其不斷增大，而在外加的退磁磁場比永磁體的拐點要大時，其退磁比例的系數也呈現不斷加大的趨勢。

4.仿真的退磁曲線和實測情況的對比

對仿真的計算正確性實施驗證，來對電機的實驗退磁的比例進行測試，得到下表3所示的情況。

根據上表內的數據能夠得知，其仿真的數據與實測數據具有良好的一致性，能夠能較好達到設計初預判的效果，這樣就能夠對電機的設計期間永磁體的厚度和永磁體的牌號選型提供良好的依據，則對電機退磁實施評價的周期實現有效縮短[4]。

5.結語

綜上所述，通過有限元法對壓縮機用永磁同步電機實施退磁分析仿真平臺的構建，并對電機的退磁比例和退磁部位實施研究，且于7.5kW的壓縮機上實施實驗驗證處理，得到仿真的退磁比例和實驗退磁的比例具有吻合性，希望對電機設計的仿真分析具有幫助。

參考文獻：

[1]王宗亮， 蔡巍. 內置式永磁同步電機電磁退磁性能研究[J]. 微電機， 2020（3）：15-19.

[2]胡余生， 曾學英， 陳彬. 熱配合下永磁同步電機的鐵損分析及優化[J]. 微電機， 2016（12）.21-24，29.

[3]李權鋒， 陳彬， 肖勇. 壓縮機用交替極永磁同步電機關鍵尺寸參數優化設計[J]. 日用電器， 2019， 160（04）：50-55.

[4]陳洪萍， 王秀和. 復合轉子異步起動永磁同步電動機起動過程中永磁體退磁的研究[J]. 微電機， 2017， 50（001）：1-7.