表貼式高速永磁同步電機失磁故障及磁體選區滲重稀土研究

摘 要：

針對表貼式高速永磁同步電機永磁體在受到高溫、強退磁磁場等因素影響易產生局部不可逆失磁故障問題，本文基于有限元分析方法，分別建立了一臺24 kW表貼式高速永磁同步電機的二維和三維仿真計算模型，在計及該電機在各類不同的退磁因素作用下，確定了電機磁體發生局部不可逆失磁故障的位置，并預測了磁體的進一步失磁擴散趨勢。對比了電機在有無失磁故障情況下的空載氣隙磁密和反電動勢，并研究磁體不可逆失磁故障對電機運行的影響。由于永磁體易在部分區域發生不可逆失磁，故本文將磁體材料更換為較低牌號，并運用選區滲重稀土技術改善易失磁區域材料特性來提升磁體整體抗失磁能力。在此基礎上，探究了更為合理的重稀土滲入區域及滲入梯度，從而保證在不失電機性能的前提下，實現了重稀土元素的極限應用，為表貼式永磁電機磁體選區滲重稀土技術提供了參考。

關鍵詞：表貼式永磁電機；永磁體失磁；氣隙磁密；反電動勢；選區滲重稀土

DOI：10.15938/j.emc.2024.02.005

中圖分類號：TM351

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）02-0044-10

收稿日期： 2022-06-16

基金項目：國家自然科學基金（52377045）；國家自然科學基金區域創新發展聯合基金重點支持項目（U21A20145）；國家自然科學基金（51977052）；黑龍江省自然科學基金重點項目（ZD2022E006）

作者簡介：謝 穎（1974—），女，博士，教授，博士生導師，研究方向為電機內綜合物理場計算、新能源汽車用電機設計及多目標優化;

姜佳寧（1999—），男，碩士研究生，研究方向為永磁同步電機失磁故障；

蔡 蔚（1959—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為驅動電機、功率電子控制器及汽車電動化電驅動系統、低振動噪聲電機等;

任少卿（1988—），男，博士，研究方向為高性能永磁材料制備；

孫存峻（1998—），男，碩士研究生，研究方向為永磁同步電機失磁故障。

通信作者：謝 穎

Demagnetization failure of surface mount high speed permanent magnet synchronous motor and local infiltration of heavy rare earth

XIE Ying1， JIANG Jianing1， CAI Wei1， REN Shaoqing2， SUN Cunjun1

（1.School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;2.Baotou Research Institution of Rare Earths，Baotou 014030， China）

Abstract：

For table paste type high speed permanent magnet synchronous motor under high temperature， strong permanent magnet demagnetization magnetic field caused by factors such as local irreversible excitation-loss fault problem， based on finite element analysis method， a 24 kW table paste type high speed permanent magnet synchronous motor of 2D and 3D simulation model was established. Under the effect of all kinds of different demagnetization factor， the location of the local irreversible demagnetization fault of the motor magnet was determined and the further demagnetization diffusion trend of the magnet was predicted. The no-load air gap flux density and back electromotive force of the motor with or without the loss of magnetic fault were compared to study the influence of irreversible loss of magnetic fault on the operation of the motor. Since permanent magnets are liable to irreversible demagnetization only in part of the region， the material of the magnet was replaced with a lower grade in this paper， and the selective infiltration of heavy rare earth technology was used to improve the material properties of the region susceptible to demagnetization to enhance the overall demagnetization resistance of the magnet. On this basis， a more reasonable infiltration area and infiltration gradient of heavy rare earth elements were explored， so as to achieve the ultimate application of heavy rare earth elements without losing the performance of the motor， providing reference for the selection of heavy rare earth infiltration technology of surface mount permanent magnet motor.

Keywords：surface mount permanent magnet motor; permanent magnet loses its magnetism; air gap flux density; back electromotive force; local infiltration of heavy rare earth

0 引 言

表貼式高速永磁同步電機因具有效率和功率因數高、功率密度大和控制特性好等優點而受到諸多應用領域青睞 ［1-3］。釹鐵硼永磁材料憑借其優良的磁性能被廣泛運用于高速永磁電機，但不足之處在于居里溫度較低，高溫情況下受強退磁磁場作用易發生不可逆失磁。永磁體出現失磁故障，又會嚴重影響電機輸出性能及運行安全，因此，針對永磁體失磁故障的分析有著重要意義。

目前，國內外學者對永磁體的失磁原因進行了研究和分析，例如，高溫失磁、偏心失磁、腐蝕失磁、強磁場失磁和振動失磁等。永磁體渦流損耗會使得永磁體溫度升高，永磁體磁疇產生運動從而排列紊亂，對外不顯示磁性，因而發生退磁［4］。永磁同步電機起動過程中電壓波動，運行過程中負載突變及低溫和高溫環境也會對永磁體失磁產生影響［5-6］。文獻［7］對比了繞組不同類型短路故障對表貼式永磁同步電機失磁的影響，其中三相對稱短路的暫態沖擊電流對永磁體去磁作用最強。磁鋼在受到劇烈振動、轉子偏心故障或者電機使用一定年限后，也會出現失磁故障［8］。

此外，一些文獻對永磁電機發生失磁故障的運行狀態進行了分析。文獻［9］運用小波分析法對轉矩進行測量，從而可以判斷永磁體失磁程度。磁體失磁率、反電勢及電磁轉矩均可作為永磁體失磁的判斷依據［10］。單個磁極失磁故障會影響電機的磁場分布，但未發生失磁故障的永磁體上方氣隙磁通分布密度變化不大［11］。隨著永磁體失磁程度的增加，電機損耗也會逐漸增加，進入穩態運行時間要更長，轉矩更小，轉矩波動更大 ［12-13］。

合理的電機設計及磁體微觀結構改善，可以有效提高永磁體抗失磁能力。優化永磁體的拓撲結構，可以改變永磁體的磁導系數，進而改善永磁體在電機內部的抗失磁性能［14］。文獻［15］通過對混合鈰稀土磁鋼張角和磁鋼間隔的合理設計提升了永磁體的抗失磁能力。加厚隔磁橋的寬度可以有效減少永磁體邊角處的退磁面積［16］。減少電機損耗［17］及合理的電機冷卻方案設計［18］可以改善永磁體工作環境，降低永磁體失磁風險。在釹鐵硼磁體制造過程中，通過磁體晶粒細化技術、晶界擴散技術、晶界摻雜技術添加鏑、鋱等重稀土都可以改善永磁體微觀結構，提高永磁體內稟矯頑力，進而提升永磁體抗失磁能力［19-20］。

本文根據電機主要參數，結合有限元方法，建立一臺24 kW表貼式高速永磁同步電機的仿真模型，分析高溫及電樞磁場共同作用時，永磁體不可逆失磁現象出現的原因及擴散趨勢，并總結永磁體發生不可逆失磁故障后，電機氣隙磁場及反電動勢的變化規律。在此基礎上，以較低牌號永磁體為基體，通過提高磁體局部矯頑力的方法進行選區滲重稀土技術模擬，探究最合理的磁體局部矯頑力提升方案，為磁體選區滲重稀土技術提供參考。

1 有限元模型建立及失磁機理分析

1.1 有限元模型建立

本文研究的24 kW表貼式高速永磁同步電機，主要參數如表1所示，電機的二維及三維有限元仿真模型與結構尺寸如圖1所示。

1.2 電機永磁體失磁分析方法

圖2為永磁體失磁原理圖，假設電機空載工作線為線i，則20 ℃的工作點為點A，加載反向磁場Hex后，線i向左平移為負載工作線線ii。此時20 ℃的工作點為點B，溫度達到100 ℃時，工作點為點C。此時，由于工作點C位于100 ℃的B-H曲線的膝點以下，因此發生退磁。在100 ℃下發生退磁時的等價B-H曲線為曲線①，恢復到20 ℃時的等價B-H曲線為曲線②。此時，磁體剩磁B′r低于磁體未失磁時磁體剩磁Br。此外，如果磁體工作溫度升高或者反向磁場Hex增加，均會使得工作點C下移，進一步加重永磁體失磁程度。

2 溫度對磁體失磁影響分析

2.1 負載運行磁體臨界失磁溫度確定

圖3為電機負載運行（電流初始相位角為0°）時永磁體磁密分布圖，可以看出，電樞反應會引起永磁體磁密分布的變化，永磁體左側增磁，右側去磁，故永磁體右側磁密低于左側，更容易失磁。由于永磁體在電機中是對稱分布的，所以每塊永磁體磁密分布規律相同。圖3（b）為單塊永磁體三維有限元磁密分布圖，可以看到，永磁體軸向端部磁密較軸向中部高，這是由于電樞繞組端部部分產生的退磁磁場要小于直線部分所導致的。

在有限元運算軟件中設定永磁體的不同工作溫度，根據永磁體失磁率云圖對永磁體失磁進行判斷，通過仿真分析，確定永磁體臨界失磁溫度為189 ℃（圖4），圖4（a）為所有磁體二維有限元失磁率云圖，圖4（b）為單塊磁體三維有限元失磁率云圖，可以看到，每塊磁體右側外表面出現了小范圍的失磁，且按圓周以極對數分布。

2.2 永磁體持續升溫失磁劣化趨勢分析

為了研究溫度持續升高對磁體失磁特性的影響，分別分析了永磁體于190 ℃、195 ℃、200 ℃和205 ℃的四種失磁情況，失磁率云圖如圖5所示，從左到右分別對應失磁Ⅰ、失磁Ⅱ、失磁Ⅲ和失磁Ⅳ，可以看到，隨永磁體溫度升高，永磁體失磁區域由右側向左側逐漸擴散，且永磁體失磁率逐漸升高。

在永磁體發生不可逆失磁故障后，其工作點會發生偏移，進而影響電機工作性能。圖6（a）為正常電機與不同溫度下失磁故障電機空載氣隙磁密在某一時刻的波形圖，可以明顯看出，磁體未失磁區域氣隙磁場依舊保持正常，但磁體失磁區域氣隙磁密降低，磁體失磁率越高，氣隙磁密降幅越大，波形畸變率越高。由于每塊永磁體失磁情況（位置和程度）相同，所以氣隙磁密分布仍然具有一定的周期性。圖6（b）為正常電機與不同程度失磁故障電機空載反電勢波形圖，可以觀察出，空載反電勢降低且波形發生畸變，這是由于永磁體發生失磁故障致使空載氣隙磁場變化所導致的。

3 高溫強退磁磁場作用失磁分析

3.1 強退磁磁場作用磁體臨界失磁溫度確定

當電機高速運行達到基速以上時，需要通過弱磁擴速來滿足電機轉速的要求，這時電機會受到大去磁電流的作用。模擬弱磁擴速區永磁體受退磁磁場最強時的失磁情況，此時電樞電流為峰值電流，電流初始相位為90°，暫態電流性質為純直軸去磁電流，即定子磁場與轉子磁場方向相反，對永磁體去磁作用最強。此外，由于電樞磁場的方向發生變化，所以永磁體磁密分布也會發生變化，永磁體中部磁密低于兩側，如圖7（a）所示。圖7（b）為單塊永磁體三維有限元磁密分布圖，可以看到，單塊永磁體磁密呈軸對稱分布。

再對強退磁磁場作用下的故障工況進行仿真分析，確定永磁體臨界失磁溫度為178 ℃（圖8），永磁體最大失磁率為0.636%，圖8（a）為所有磁體二維有限元失磁率云圖，圖8（b）為單塊磁體三維有限元失磁率云圖，可以看出，每塊永磁體的中間位置的外表面出現不可逆失磁情況。

3.2 永磁體持續升溫失磁劣化趨勢分析

為了研究溫度持續升高時永磁體不可逆失磁擴散規律，本文分別分析了在強退磁磁場作用下永磁體于180、185、190和195 ℃的失磁情況，失磁率云圖如圖9所示，從左到右分別對應失磁Ⅴ、失磁Ⅵ、失磁Ⅶ、失磁Ⅷ，從圖9中可以觀察出，隨永磁體溫度升高，永磁體失磁區域呈現由永磁體中部向兩側逐漸擴散的趨勢，當永磁體溫升達到195 ℃時，幾乎2/3面積的永磁體出現了不可逆失磁的典型現象。

正常電機與不同溫度下失磁故障電機的空載氣隙磁密及空載反電勢如圖10所示。可以明顯看出，永磁體發生失磁故障后，氣隙磁密和反電動勢波形在每個平頂波處均在降低，并且降幅隨永磁體失磁率升高而增加。此外，由于永磁體失磁部位為每塊永磁體的中部，且單塊永磁體失磁面積呈軸對稱分布，所以，失磁故障電機空載氣隙磁密和空載反電勢仍然呈現較好的對稱性和周期性。

4 選區滲重稀土方法的模擬應用

由于表貼式永磁同步電機永磁體發生不可逆失磁故障的位置只是永磁體的一部分，所以可以通過提高磁體易失磁區域的矯頑力來提升磁體總體抗失磁能力。釹鐵硼永磁材料矯頑力的大小由主相和晶界相決定，滲重稀土技術是一種通過將各向異性磁場比釹大的鏑、鋱從永磁體表面通過擴散引入晶界相，在不降低原磁通密度的情況下提高矯頑力的方法。此外，永磁體不易失磁位置對矯頑力要求相對較低，所以將永磁體材料改為重稀土含量相對較少的低牌號釹鐵硼永磁體N38SH，并運用選區滲重稀土方法，只在永磁體易失磁位置滲入重稀土。磁體滲入重稀土區域與未滲入重稀土區域內稟退磁曲線對比如圖11所示，可以看到，永磁體滲入重稀土區域的矯頑力由Hcj1提升為Hcj2，剩磁不變；而永磁體未滲入重稀土區域的剩磁和矯頑力均不變。采用選區滲重稀土方法的永磁體，但磁體內部矯頑力大小不均。

由于不同重稀土材料特性不同，所以滲入不同種類重稀土后磁體的ΔHcj變化程度也不同。基于此，通過假設三種δ-ΔHcj梯度方案，探究對本電機而言最合理的重稀土滲入梯度，三種梯度方案如圖12所示。從圖中可以觀察出，方案一永磁體表層矯頑力增量最高，但矯頑力增量隨重稀土滲入距離增加衰減速度最快；方案二永磁體表層矯頑力增量次之，衰減速度相對較慢；方案三永磁體表層矯頑力增量最低，但衰減速度最慢。磁體滲入重稀土區域的矯頑力Hcj2可由增加的矯頑力ΔHcj與原始磁體矯頑力Hcj1求和所得。

4.1 負載運行失磁區域滲重稀土方案對比

電機采用釹鐵硼永磁體N38SH做負載運行，永磁體工作于190 ℃失磁率云圖如圖13所示。可以看到，永磁體右側發生不可逆失磁，且不同區域失磁嚴重程度不同，所以可以根據失磁嚴重程度可將滲入重稀土區域分為a、b、c三部分，如圖14所示。

從圖13和圖14可以觀察出，永磁體a、c區域失磁程度較輕，而b區域失磁程度較重，所以永磁體b區域重稀土滲入量要大于a區域和c區域才行。b區域表面位置矯頑力增量ΔHcj對應圖12的O點的矯頑力增量，而a、c區域表面位置矯頑力增量ΔHcj對應圖12的P點的矯頑力增量，隨重稀土滲入深度增加，矯頑力增量遞減。永磁體厚度為3 mm，為充分增加永磁體易失磁部位的矯頑力，所以從永磁體內外兩個表面滲入重稀土。磁體一、磁體二、磁體三（注：三塊永磁體均相同）分別采用方案一、方案二、方案三的梯度滲入重稀土，三種永磁體矯頑力增量如圖15所示。可以看到，永磁體b區域矯頑力增量要高于a、c區域，并且由于方案三矯頑力增量隨重稀土滲入深度增加衰減速度最慢，所以磁體三永磁體內部矯頑力增量最高。

電機分別采用磁體一、磁體二和磁體三為負載運行，永磁體工作于190 ℃，失磁率云圖如圖16所示。可以明顯看出，磁體一和磁體二均發生不可逆失磁，失磁區域為永磁體右側內部，其中，磁體一失磁率最高，失磁面積最大，而磁體三未發生不可逆失磁。

4.2 強退磁磁場作用失磁區域滲重稀土方案對比

電機采用N38SH永磁體，永磁體受強退磁磁場作用于180 ℃失磁率云圖如圖17所示。從圖中可以看到，永磁體中部出現不可逆失磁，且中心部位失磁率最高，因此可以根據永磁體失磁程度將永磁體劃分為d、e、f三個區域，如圖18所示。三個區域均從永磁體內外兩個表面滲入重稀土。其中，e區域表面位置矯頑力增量ΔHcj對應圖12的O點的矯頑力增量，而d、f區域表面位置矯頑力增量ΔHcj對應圖12的P點的矯頑力增量，隨重稀土滲入深度增加，矯頑力增量遞減。磁體四、磁體五、磁體六分別也采用方案一、方案二、方案三的梯度滲入重稀土，三種永磁體矯頑力增量如圖19所示。可以看到，磁體六永磁體內部矯頑力增量最高。

電機分別采用磁體四、磁體五和磁體六，永磁體受強退磁磁場作用于180 ℃失磁率云圖如圖20所示。從圖中可以觀察出，磁體四和磁體五均出現較大面積不可逆失磁，失磁區域為永磁體中部，而磁體六未發生不可逆失磁。

4.3 綜合滲重稀土方案確定

由上文知，矯頑力增量隨重稀土滲入深度加深衰減速率越慢，越能提升永磁體抗失磁能力。所以，選擇方案三的梯度作為重稀土滲入梯度相對而言最為合理，并綜合圖14和圖18劃分出最優重稀土滲入區域，如圖21所示。

在圖21中，b、e區域永磁體表面矯頑力增量對應圖12的O點的矯頑力增量，c、d、g區域永磁體表面矯頑力增量對應圖12的P點的矯頑力增量，隨重稀土滲入距離增加，矯頑力增量遞減。滲入重稀土后磁體矯頑力增量如圖22所示，記作磁體七。

電機采用滲重稀土磁體七，永磁體臨界失磁率云圖如圖23所示，可以看出，負載運行時磁體臨界失磁溫度為192 ℃，失磁區域為永磁體右側內部；強退磁磁場作用時磁體臨界失磁溫度為181 ℃，失磁區域為永磁體中心部分。

電機分別采用以N38SH為基體的滲重稀土磁體七與常規永磁體N38UH為負載運行，永磁體工作溫度為150 ℃，永磁體均未發生不可逆失磁，電機輸出反電動勢及輸出轉矩如圖24所示。

從圖中可以看出，就電機性能來說，電機采用以N38SH為基體的滲重稀土磁體七較采用常規永磁體N38UH輸出性能相差不大，其中，負載反電動勢低1.01 V，約低0.36%；轉矩平均值低0.02 N·m，約低0.20%。但磁體七臨界失磁溫度比N38UH要高約3 ℃，即在保證電機輸出性能變化不大的前提下，盡可能地減小了重稀土的用量，并且具備了比重稀土含量較多的高牌號永磁體更強的抗失磁能力，提升了重稀土的上限利用率。

5 結 論

本文以一臺表貼式高速永磁同步電機為例。研究了磁體在受到高溫及退磁磁場等因素共同作用時易發生不可逆失磁現象的位置及失磁劣化趨勢。并通過提升磁體局部矯頑力的方法進行了選區滲重稀土技術的模擬應用，具體結論如下：

1）表貼式永磁同步電機在運行過程中，永磁體受高溫及電樞磁場共同作用時，易出現不可逆失磁現象。磁體發生失磁故障的位置與電流初始角的相位有關，隨電流初始角的增加，永磁體失磁位置呈現由右向左移動的規律，且每一塊磁極失磁情況基本相同。如果磁體工作溫度升高或者所受退磁磁場增強，均會加重永磁體的失磁程度。

2）在永磁體易失磁區域應用選區滲重稀土技術可以顯著提高永磁體局部矯頑力，從而提升磁體整體抗失磁能力。對于表貼式永磁同步電機而言，隨重稀土滲入深度的增加，磁體矯頑力增量衰減速率越慢越好。

3）電機選用低一個牌號永磁體N38SH，采用合理的選區滲重稀土技術后，電機性能與選用高一個牌號永磁體N38UH的電機相差不大，但滲重稀土磁體臨界失磁溫度相對較高，即具備更強的抗高溫失磁能力。此外，研究發現滲重稀土磁體最先發生失磁故障的區域為永磁體的內部。

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（編輯：劉素菊）