永磁电动机永磁体防退磁技术研究综述

师 蔚，贡 俊，黄苏融

(1上海大学，上海200072;2上海工程技术大学，上海201620;3上海电驱动有限公司，上海200240)

0引 言

永磁材料由于其固有特性，经过预先磁化以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。将永磁材料应用在电机上，因无需无功励磁电流，可得到较高的功率因数，减少定子电流和定子电阻损耗，在额定负载范围内可以保持较高的效率。随着高性能永磁材料的应用，永磁电动机的体积和质量都有较大的减少，功率密度大幅度提升［1］。

20世纪80年代出现的钕铁硼永磁材料，具有较高的最大磁能积(BH)max、剩磁Br和矫顽力Hc。钕铁硼作为采用最多的永磁体材料，虽然性能令人满意，但也有其不足之处，即温度特性差，具体体现在居里温度较低、温度系数高两方面［2］。因此永磁电动机在使用过程中，永磁体可能存在不可逆退磁现象，电机的性能有所下降甚至完全失去驱动能力，永磁电动机永磁体的安全可靠使用成为永磁电动机亟待解决的关键技术之一。

本文在系统阐述永磁体退磁机理的基础上，综述了永磁电动机永磁体防退磁的静态预防方案及动态监测方案，分析比较了这几种典型的方案，针对两种方案的研究现状和不足，探讨了永磁电动机永磁体防退磁技术的发展趋势和研究方向。分析表明必须对永磁电动机永磁体防退磁技术进行深入研究，从而使永磁电动机安全、有效应用。

1永磁体退磁机理

多数铁磁金属及铁磁性稀土金属的原子都有固有的原子磁矩，在居里温度以下，在强磁材料的相邻两个原子的电子存在交换作用，使一个小区域内的原子磁矩同向平行排列，达到一定程度的磁化，这些小区域称为磁畴。当施加外磁场时，磁畴的磁矩就转向外磁场方向，显示较强的磁性。

当永磁体处于退磁场中时，磁感应强度沿着退磁曲线下降。不同的永磁体材料具有不同的退磁曲线，以钕铁硼永磁材料为例，其在常温或者较低温度下，退磁曲线为一直线，且回复线与退磁曲线的直线段基本重合。但在温度较高的情况下，退磁曲线的上半部分为直线，而当退磁场强度超过一定值后，退磁曲线就急剧下降，下半部分开始拐弯，开始拐弯的点称为拐点(又称为膝点)。当退磁磁场强度超过拐点后，新的回复线就不再与退磁曲线重合了。这样当退磁磁场强度消失后，永磁体的剩余磁感应强度Br将下降，发生不可逆退磁［3］。

影响永磁体发生不可逆退磁的主要因素有温度、外磁场、化学、射线、振动、时效等。

1．1永磁体外磁场及温度退磁机理

外磁场使永磁体的退磁主要是由磁畴的磁化与反磁化过程决定。当退磁场强度达到一定值后，永磁体内的磁畴将发生畴壁位移及磁矩转动到反磁化场方向，形成不可逆的转动，即使当退磁场消失，永磁体内的磁畴磁矩不能回到原来磁矩方向，即产生不可逆退磁。

而温度对永磁体的影响主要来自于热运动，物理学研究表明任何微观粒子都处于热运动中，热运动使各原子的磁矩方向不断地、无规则地变化。当温度较低时永磁材料的相邻两个原子的电子交换比热运动的影响大得多，当温度上升到一定程度时，磁矩在热运动作用下的空间取向将发生变化，产生不可逆退磁。

1．2永磁体化学、振动、时效退磁机理

受酸、碱、氧气和氢气等化学因素作用，永磁材料内部或化学表面化学结构会发生变化，将严重影响材料的磁性能，造成永磁体的不可逆退磁。所以一般在生产过程中需要采取各种工艺措施，以防止氧化等，同时在成品表面敷保护层来提高抗腐蚀能力［4］。

永磁体在受到剧烈振动之后，有可能引起其内部磁畴发生变化，磁畴的磁矩方向发生变化后，磁钢磁性能会变差，就会造成磁钢退磁甚至不可逆失磁。

永磁体随时间的磁通损失与所经历时间的对数基本上成线性关系。因此，电机永磁体是有使用寿命的，当使用一定的年限之后，磁钢也会失磁，但钕铁硼永磁材料磁性能随时间的变化很小。

永磁体的失磁，常常是几种退磁机理共同作用的结果。永磁体使用条件不同，各种退磁机理产生的效果也不同。如在航空技术中应用时，振动、温度等是主要的退磁原因，而新型电动车技术上使用时化学、振动、时效失磁在一般工作条件下对永磁体失磁影响并不突出，而温度、外磁场是永磁电动机产生不可逆失磁的主要因素;特别是高密度永磁电动机，散热条件苛刻，电枢反应强烈，温度及外磁场环境更加恶劣。

2防退磁静态预防方案

静态预防方案是从电机设计角度出发，优化磁路，降低永磁体退磁风险。而静态预防技术在分析方法上又分为磁网络分析法、有限元分析法、磁场重建法、多领域综合仿真分析方法。

2．1磁网络分析法

永磁电动机磁网络分析法，以磁通管理论为基础，将永磁电动机中材料相同、磁通分布较均匀、形状较规则的部分等效为一个磁导单元，而各磁导单元之间通过节点连接。通过利用磁网络方程与电网络方程的相似性，即可求出磁网络方程中各节点的磁位、磁通及进而求得有关参数。与有限元分析相比，磁网络方程的节点数与运算时间都大大减少。

在优化永磁电动机设计及动态分析过程，磁网络法被广泛应用于永磁电动机磁场分析，从而确定永磁体的工作点，进而得到永磁体退磁模型。但多数分析中将整个永磁体等效为一个网络节点［5］，并不能考虑到永磁体发生的部分退磁现象，分析结果有一定的局限。并且因磁网络分析法属于典型的集中参数法，其中含有许多经验公式、修正及系数，造成计算结果与实际情况有一定的误差。且应用于结构较复杂的永磁电动机模型时，磁网络分析法需要更多的节点来提高其准确性。但由于单元磁导与尺寸常数的关系、快速计算时间，可以为快速优化设计提供方向。

2．2磁场有限元分析法

磁场有限元分析方法为一种数值计算磁场方法，计算精度高，广泛应用于永磁电动机磁场分析，从而用来分析永磁体的退磁现象，进而进行优化设计。

汉阳大学Kyu-Yun Hwang提出通过设定永磁电动机最大工作温度及最大电枢电流，仿真计算永磁体是否发生退磁，如果发生了全面退磁，则增加永磁体厚度;如果仅发生了部分退磁，则通过优化永磁电动机转子结构，预防退磁，这一设计流程为永磁电动机优化设计，静态防退磁提供思路［6］。

文献［7］从防退磁角度比较了内置式永磁电动机“一”字型、“V”字型、双层永磁体三种不同的永磁体布置方案，得出在产生最大转矩时，“一”字型永磁体最容易产生退磁，在短路电流故障情况下，“V”字型永磁体最容易产生退磁，而双层永磁体布置结构则在防退磁方面最不易退磁，从防退磁角度为永磁电动机永磁体结构布置提供了方案参考。

在优化永磁电动机磁路，防止永磁体发生退磁方面，文献［6］同时对内置式永磁电动机转子铁心及隔磁桥的4个结构参数同时进行优化设计，通过最速下降法和响应面法找到最优设计点，达到在不增加永磁体厚度的条件下，减小外磁场对永磁体的影响，达到改善防退磁能力及减小齿槽转矩的目的，为研究同时优化多个永磁体结构参数提供参考。

上述优化设计与去磁分析通常在设计最大温度下进行，而很多学者从降低永磁体工作温度，从而降低去磁风险角度进行永磁电动机防退磁的优化设计。即可从降低永磁体涡流损耗角度进行优化设计，从而间接防止永磁体退磁。文献［8-9］通过对永磁体的轴向分块进行三维有限元仿真，得出永磁体表面涡流损耗减少，从而降低永磁体工作温度的结论。仿真分析并从轴向磁钢分块之间的绝缘、分块数量、频率、谐波对涡流损耗的影响一系列的研究，为永磁体轴向分块方法提供了参考方向。

2．3磁场重建法

磁场重建法(Field reconstruction method，FRM)是一种能够节约计算时间，确定永磁电机磁场分布的方法。首先由美国德克萨斯大学Babak Fahimi，Amir Khoobroo等人提出，与有限元法比较具有相对高的准确性，但可以大大缩短计算时间。该利用有限元法分别计算定子单个槽绕组施加电枢电流及永磁体在电机中产生的磁场分布特征值，同时根据电机几何参数关系通过磁密叠加的方法，重建永磁电机磁场分布，从而分析永磁体的退磁特性［10］。

磁场重建分析方法因能够得到永磁电机在任意位置的磁密分布，因而被广泛应用与永磁电机永磁体退磁分析中，但磁场重建及磁场分析法方法在计算磁场分布方面，虽然能够节约计算时间，对永磁电机的反复优化设计方面具有优势，但其磁场重建时使用磁场相叠加，不易考虑磁饱和因素，对于磁饱和效应非常强烈的永磁电机，如高密度永磁电机本方法并不适合。

2．4多领域综合仿真分析法

在目前研究中，永磁电动机永磁体的退磁原因主要为温度和外磁场的主要作用，在运行过程中温度的上升通常由电机内部的损耗及散热条件决定。因此，学者在分析永磁电动机永磁体退磁时将电磁仿真、损耗仿真及流体散热仿真等相结合，进行了多领域的综合仿真分析，从而研究永磁体的退磁现象及改善措施。

文献［11］在永磁电动机永磁体去磁分析中，将热力学模型在退磁计算中考虑。即将电磁仿真模型与损耗模型相结合，在固定负载情况下对永磁电动机进行实步法动态仿真。其仿真思路为，当永磁体发生退磁时，需要改变功率角来提供固定转矩，随着功率角的变化将会需要更多的定子电流及带来更多的损耗，这些损耗会带来温度的上升，随着温升增加，这将引起更加严重的永磁体退磁，严重时有可能导致电机停转。该文献的研究成果为在多领域综合静态仿真提供了参考。

沈阳工业大学王凤翔教授在文献［12］中对高速永磁电动机进行防退磁研究，主张从降低损耗及改善散热条件角度改善永磁体退磁现象。文中对不同定子槽数下的高速永磁电动机进行了转子损耗、涡流损耗、风阻损耗等进行了比较分析，得出了综合损耗较小的设计原型。同时研究了不同散热结构下，流体速度对永磁体温度的影响，并进行了流体仿真分析。该论文为电磁仿真与流体仿真相结合研究永磁体退磁现象提供了参考。

3防退磁动态监测技术

永磁电动机的永磁体退磁研究不仅在设计过程中进行仿真研究，防止永磁体退磁，很多学者还研究在电机运行中，即使用中进行动态监测永磁体的状态，从而预防发生的退磁现象。而动态监测技术则又分为开环动态监测及动态监测辅助闭环控制两种类型。前者仅通过永磁电动机的相关参数进行监测，进而间接得到永磁体的状态信息，并不采取闭环控制;后者则监测间接得到的永磁体状态信息，同时根据其状态信息进行动态控制，以防止发生更严重的退磁。

3．1开环动态监测

对永磁体状态进行监测时，文献［13］提出了一种利用在发电工况下，对永磁电动机的定子电流进行傅里叶分解，如果出现0．5次及1．5次谐波，则判断永磁体出现退磁，但此方法中的电流仅限于并联绕组中的支路电流情况，对串联绕组电流及并联绕组总电流进行分析不能成立。并且该方法主要分析永磁电动机在发电工况下的永磁体状态，对处于电动工况下的永磁体状态监测不具有适用性。

西班牙学者J．Rosero等人则利用提取永磁电动机在运行中定子电流信号，多年研究中，分别通过对该信号进行快速傅里叶变换、希尔伯特黄变换、连续小波变换、离散小波变换等多种信号处理方法进行处理，判断永磁体是否发生退磁，从而完成永磁体退磁故障监测［14-17］。

其中，在使用快速傅里叶变换进行定子电流及零序电流分析，在高速区域中，利用定子电流1、5次谐波反映永磁体是否发生退磁现象;在中速区域中，利用定子电流1、5、13、17次谐波反映永磁体是否发生退磁现象;在低速区域中，利用定子电流6、9次谐波反映永磁体是否发生退磁现象。

在使用希尔伯特黄变换进行定子电流分析中，首先对定子电流信号进行模态分解，得出本征模态函数，再对模态函数进行希尔伯特变换，得到希尔伯特谱，即时频能量谱，从而分析永磁体是否发生退磁

使用小波变换(包括连续小波变换及离散小波变换)对永磁电动机永磁体退磁研究中，进行定子电流分析。研究显示连续小波变换能够降低数据信号参数从而判断是否发生退磁，适用于工业快速检测中使用;而离散小波变换因为含有定子电流信号的整个频谱信息，所以能够得到更精确的检测结果。

同时，该研究团队经过多年研究，西班牙学者J．Rosero等人对定子电流信号分析，进行永磁体退磁故障监测得出以下结论:

(1)快速傅里叶变换丢失了时间信息，所以不能用于监测动态情况下的电机失磁;

(2)使用希尔伯特黄变换得到的时间-频域能量谱分析方法在失磁动态检测过程中，仅适用于速度变化较慢的情况;

(3)小波分析能够解决转速和转矩快速变化时的动态检测，是较好的失磁分析的工具。

但上述分析方法仅对永磁体发生退磁进行动态监测，并没有反馈控制等相应应对方法。

3．2动态监测辅助闭环控制

文献［18］提出了一种“D状态观测器”用来观测永磁转子磁链，具有需要稳态信息少，应用速度范围广等特点。文献［19］提出一种改进的反电动势法间接观测永磁转子磁链，仅限应用于中、高速场合。上述方法目前主要应用于无位置传感器的永磁电动机控制领域，但可将其应用于观测永磁磁链模型间接估计永磁体状态信息，从而防止永磁体发生更严重的退磁。

文献［20］则直接提出一种永磁同步电机永磁体磁场状态在线监测方法，该方法使用定子电流和永磁体磁链作为状态变量，构建了卡尔曼滤波器用来估算永磁体磁链幅值和方向，从而作为永磁体磁链观测器，用于永磁电动机的闭环控制系统中，通过调整d-q轴定向、电压极限环等参数，从而防止永磁体发生更严重退磁。该研究为动态监测永磁体状态，并进行闭环控制提供了参考。

4防退磁技术发展趋势

目前虽然对永磁电动机防退磁技术进行了大量的研究，但这些研究仍然存在一定的局限性，主要在于:

(1)对于静态预防方案有助于从设计角度避免可能存在的失磁风险，但难以对电机运行中的不可逆退磁进行控制，属于离线分析方法。

(2)对动态监测方案可以动态监测永磁体的状态，但当监测到永磁体磁场状态有改变时，代表永磁体已经发生不可逆退磁现象，只能动态防止电机退磁状况的恶化，并不能防止永磁体不可逆退磁的发生。

因此，在永磁体防退磁技术方面有如下的发展趋势:

(1)在静态设计阶段，趋向于根据永磁电动机的应用特点进行永磁电动机的退磁机理分析，找出主要的退磁原因，从而对永磁电动机进行多领域的仿真分析，有针对性的将损耗模型、热力模型、散热模型、动力模型等与电磁分析相结合，充分考虑各种退磁因素对永磁电动机永磁体退磁的影响。

(2)在永磁电动机使用过程中，将永磁体的状态监测、散热控制等纳入永磁电动机控制系统中，与永磁电动机动态运行控制策略相融合，进行多领域协同控制，进行动态预防永磁体发生退磁。

5结 语

永磁电动机以其高功率密度、高效率在电动汽车等领域具有广泛的应用价值，而永磁电动机永磁体的不可逆退磁影响了永磁电动机的有效使用。因此必须将永磁体防退磁技术应用于永磁电动机设计及使用阶段中，预防永磁体发生不可逆退磁。这将对提高永磁电动机的可靠性，从而拓展永磁电动机在牵引领域的应用具有重要的研究意义。

［1］ 唐任远．稀土永磁电机的关键技术与高性能电机开发［J］．沈阳工业大学学报，2005，27(2):162-170．

［2］ Yuji K．Recent development in high performance permanent magnets and their applications-2 toward the theoretical value of Nd-Fe-B sintered magnets［J］．Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan，2004，124(11):695-698．

［3］ Liu S，Don L．Research and development of bulk anisotropic nanograin composite rare earth permanent magnets［C//Proc of 19 th International workshop on REPM and their applications．Beijing，China，2006:123-135．

［4］ 周寿增，董清飞．超强永磁体—稀土铁系永磁材料［M］．北京:冶金工业出版社，2004．

［5］ Farooq J，Djerdir A，Srairil S．Use of permeance network method in the demagnetization phenomenon modeling in a permanent magnet motor［J］．IEEE Trans．on Magnetics，2006，42(4):1295-1298．

［6］ Hwang Kyu-Yun，Rhee Sang-Bong，Lee Jae-Sung，et al．Shape optimization of rotor pole in spoke type permanent magnet motor for reducing partial demagnetization effect and cogging Torque［C］//Proceeding of International Conference on Electrical Machines and Systems．Seoul，Korea，2007:8-11．

［7］ Kim Ki-Chan，Kim Kwangsoo，Kim Hee Jun，et al．Demagnetization analysis of permanent magnets according to rotor types of interior permanent magnet synchronous motor［J］．IEEE Trans．on Magnetics，2009，45(6):2799-2802．

［8］ Yamazaki K，Shina M，Miwa M，et al．Investigation of eddy current loss in divided Nd-Fe-B sintered magnets for synchronous motors due to insulation resistance and frequency［J］．IEEE Transaction on Magnetics，2008，44(11):4269-4272．

［9］ Takahashi N，Shinagawa H，Miyagi D，et al．Analysis of eddy current losses of segmented Nd–Fe–B sintered magnets considering contact resistance［J］．IEEE Transaction on Magnetics，2009，45(3):1234-1237．

［10］ Khoobroo A，Babak Fahimi．A novel method for permanent magnet demagnetization fault detection and treatment in permanent magnet synchronous machines［C］//Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC)，2010 Twenty-Fifth Annual IEEE 2010:2231-2237．

［11］ Ruoho S，Kolehmainen J，Ika¨heimo J，et al．Interdependence of demagnetization，loading，and temperature rise in a permanentmagnet synchronous motor ［J］．IEEE Trans．on Magnetics，2010，46(3):949-953．

［12］ Xing Junqiang，Wang Fengxiang，Wang Tianyu，et al．Study on anti-demagnetization of magnet for high speed permanent magnet machine ［J］．IEEE Transaction on Industry Applications，2010，20(3):856-860．

［13］ Ruschetti C，Bossio G，De Angelo C，et al．Effects of partial rotor demagnetization on permanent magnet synchronous machines［C］//Industrial Technology(ICIT)，2010 IEEE International Conference on Digital Object Identifier．2010:1233-1238．

［14］ Rosero J A，Cusido J，Garcia A，et al．Study on the permanent magnet demagnetization fault in permanent magnet synchronous machines［C］//IEEE Industrial Electronics，IECON-32nd Annual Conference．2006:879-884．

［15］ Rosero J，Romeral L，Cusido J，et al．Fault detection by means of wavelet transform in a PMSMW under demagnetization Motion Control and Industrial Applications Group［C］//The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society(IECON)．Taipei，Taiwan，2007:1149-1154．

［16］ Rosero J，Romeral L，Ortega J A，et al．Demagnetization fault detection by means of Hilbert Huang transform of the stator current decomposition in PMSM［C］//Industrial Electronics，IEEE International Symposium，2008:172-177．

［17］ Riba Ruiz J R，Rosero J A，Garcia Espinosa A，et al．Detection of demagnetization faults in permanent-magnet synchronous motors under non-stationary condition［J］．IEEE Trans．on Magnetics，2009，45(7):2961-2969．

［18］ Shinnaka S．New“D-state-observer”-based vector control for sensorless drive of permanent-magnet synchronous motors［J］．IEEE Trans．on Industry Applications，2005，41(3):825-833．

［19］ Obana H，Ota Y，Miki I．A position sensorless control method of interior permanent magnet synchronous motor［C］//Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems．2005(1):215-220．

［20］ 肖曦，张猛，李永东．永磁同步电机永磁体状况在线监测［J］．中国电机工程学报，2007，27(24):43-47．