考慮溫度特性的永磁電機建模及退磁分析*

劉 麥

（1.海南經貿職業技術學院，海南 海口 571127；2.海南省智能電網裝備工程研究中心，海南 海口 571127）

永磁體是永磁電機的重要組成部分，作為勵磁磁極為電機的運轉提供磁場。由于永磁電機結構簡單，永磁材料高剩磁、高矯頑力的優點，以及永磁材料開采、提煉、加工技術的提高，永磁電機的應用越來越廣泛[1-2]。永磁體的磁性能直接關系著永磁電機的穩定性和可靠性，然而永磁材料本身也存在著磁性能穩定問題，在溫度、電流、振動等因素下會出現退磁現象，甚至發生不可逆失磁[3]。不可逆失磁使電機性能急劇下降，嚴重時會使電機停轉，影響電機的可靠性，特別是對于電動汽車而言，直接影響著行駛安全性。因此，對電機永磁體磁性能及退磁分析就顯得十分重要。目前，永磁材料性能優良的是NdFeB，在電動汽車驅動電機中應用廣泛[4]，N38SH是一種常用于永磁電機的稀土永磁材料牌號，本文采用N38SH材料的永磁同步電機進行仿真建模計算。

1 永磁體的溫度特性

圖1 N38SH退磁曲線

退磁曲線是表征永磁材料特性的重要特性曲線，包括退磁曲線和內稟退磁曲線，如圖1所示。退磁曲線表示永磁材料被完全磁化后無外勵磁時的磁通密度B與磁場強度H之間的關系，特征參數剩磁Br表示去掉充磁磁場后材料的剩余磁場，矯頑力Hcb表示磁性材料抵抗退磁的能力。內稟退磁曲線是在外磁場作用下被磁化后產生的內在磁感應強度，表征永磁材料內在磁性能，主要影響磁鐵材料穩定性，特征參數內稟矯頑力Hcj與稀土永磁體的溫度穩定性密切關系，內稟矯頑力越高，溫度穩定性越好[5]。

NdFeB稀土永磁材料退磁曲線因溫度的不同而有所變化，牌號N38SH的稀土永磁材料最高工作溫度150℃。低溫環境下退磁曲線在第二象限接近直線，可簡化為線性關系進行仿真計算。而溫度升高時，在第二象限將出現拐點，B-H曲線為非線性關系。

2 考慮溫度特性的永磁電機建模

利用Ansys仿真軟件的Maxwell模塊建立模型，通過Maxwell 2D材料屬性中輸入不同溫度的退磁曲線或內稟退磁曲線進行分析即可仿真計算在此溫度時的電機性能及分析不同溫度下電機性能的差異。為減小計算量，根據電機48槽8極、呈現對稱結構特點，取1/8結構用于仿真計算，并對定子、轉子、永磁體進行網格剖分，如圖2所示。

圖2 永磁同步電機仿真模型

仿真計算20℃和150℃下永磁電機的性能，從而對比分析溫度特性下永磁電機的退磁現象。20℃時，永磁材料退磁曲線簡化為線性關系，通過輸入Hcb和Br確定，Hcb為917kA/m，Br為1.23T。150℃時，材料庫中將永磁材料相對磁導率類型改為非線性，輸入非線性內稟退磁曲線，如圖3所示。激活永磁體溫升特性，根據永磁材料廠家提供的溫度系數α=-0.1和β=-0.6，定義磁通和磁場的溫升函數分別為1.0-0.001*(Temp-20)和1.0-0.006*(Temp-20)。

圖3 N38SH 150℃B-H內稟退磁曲線

3 溫度特性對永磁電機的退磁影響

分別計算空載無外部激勵時，20℃和150℃退磁曲線下的磁通密度云，如圖4所示。從仿真結果看，采用20℃和150℃退磁曲線時永磁體的磁通密度分布大致相同。20℃退磁曲線下永磁體磁感應強度在1.075 6T～1.226 9T之間，而150℃時永磁體磁感應強度在0.940 8T～1.060 6T之間。因此，溫度的升高使得永磁體的整體磁場變弱，磁性能下降。

圖4 空載磁通密度云

圖5 空載磁鏈

磁鏈是電流回路所鏈環的磁通量，空載時磁鏈呈標準的正弦波波形，諧波含量低，如圖5所示。20℃退磁曲線下磁鏈峰值為0.173 7Wb，而150℃時磁鏈峰值為0.146 9Wb。隨著溫度的升高，磁鏈減小。根據磁鏈公式Ψ=Nφ可知，磁鏈Ψ與線圈匝數N和穿過線圈各匝的平均磁通量φ成正比例關系，與仿真計算的磁感應強度結果相匹配。

空載反電動勢是電機空載氣隙磁場與電樞繞組進行相對運動而在電樞繞組內產生的電動勢，反映電機在無外部激勵時氣隙磁通的分布情況。給定電機轉速為3 000rpm，20℃退磁曲線下電機的空載反電動勢峰值為226.6749V，150℃退磁曲線下空載反電動勢峰值為193.404 7V，如圖6所示。由公式ei=Tω可知，當輸入電流不變時，反電動勢下降將引起電磁轉矩T的下降。

圖6 空載反電動勢

恒轉速負載下，給定電機峰值250A、頻率50Hz的正弦交流電流源，仿真計算不同溫度下的轉矩值變化，如圖7所示。20℃退磁曲線下平均轉矩值為248.595 8N·m，而150℃時平均轉矩值為169.311 8N·m。可知，溫度升高導致的退磁使得永磁同步電機的轉矩輸出嚴重下降，將導致電機性能下降，輸出不足。如果出現不可逆失磁，嚴重時電機將不能驅動負載甚至被燒毀，對電機危害很大。

圖7 負載轉矩

4 結論

導致永磁體失磁的因素很多，高溫是其重要的一個因素。通過運用Ansys的Maxwell模塊對永磁同步電機進行仿真分析計算，驗證了溫度的升高將導致磁感應強度減弱，磁性能降低，在恒定負載下時要求輸出的電磁功率不變，電機性能下降必然會使功率角增大和電流增加來輸出負載所需電磁力矩。而功率角增大和電流增加，電機的鐵損和銅損都會增加，溫度進一步升高，最終導致電機出現嚴重故障。因此，電機工作過程中需注意工作溫度，采取適當的冷卻措施，保障電機工作在合適的溫度環境。