齿槽转矩在电动汽车永磁同步电机的磁钢退磁检测中的应用

任寿萱

（凯工电气 （苏州）有限公司，江苏 苏州 215153）

电动汽车具有低污染、低能耗的特性，是未来交通的主要载体。电机及其驱动系统作为电动汽车的动力来源，是新能源电动汽车的核心部件之一，是车辆行驶中的主要执行结构，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。永磁电机驱动系统，具有十分优良的低速性能，可实现弱磁高速控制，易于实现高性能转矩控制，拓宽了系统的调速范围，适应了电动汽车高性能驱动的要求。新能源汽车采用永磁电机已成为基本趋势，是电动汽车选用的主要电机种类。

电动汽车驱动系统的永磁同步电机，可分为交流永磁同步电动机 （PMSM）、直流无刷永磁电动机 （BLDCM）和新型永磁电动机 （混合式永磁电动机 （HSM）、续流增磁永磁电机等）3大类。其中交流永磁同步电动机 （PMSM），具有高功率密度、高效率、高转矩电流比、低噪声、低维护成本、高可靠性和较好的动态性能等特点，技术上趋于成熟，性价比高，是电动汽车驱动电机中最具发展潜质的电机之一。

1 永磁同步电机磁钢的退磁故障

作为电动汽车的驱动系统，永磁同步电动机不仅运行工况复杂，更受到安装空间的限制，散热条件差，电机功率密度值较大，致使电机磁钢处于较高温度环境下工作，易导致电机磁钢出现退磁故障，影响永磁同步电机的运行性能，可能导致永磁同步电机故障而停机。

电机在车辆行驶过程中正常工作，是保证整车安全可靠运行的重要因素，开展交流永磁同步电机的故障诊断检测研究，对于提高整车运行的可靠性，意义重大。电动汽车用永磁同步电机是按照国家规定标准来制造，检验合格后出厂的，但是随着使用年限的增加，永磁同步电机的零部件也会出现老化、疲劳、损耗、磨损、失效等问题，增加了发生行车事故的风险，所以为了汽车的安全运行，对电机存在的隐性安全风险进行研究分析、检测和预防，是保障汽车安全运行的有效手段。

永磁同步电机使用的钕铁硼永磁材料，其温度系数较高，高温下磁损严重。当永磁同步电机因设计或使用的原因，在运行过程中可能会产生磁钢退磁，必然会使永磁同步电机励磁电动势降低，输出转矩下降，出力不足，甚至电机烧毁报废，不能正常驱动汽车行驶，甚至发生交通事故。

因此，有必要对永磁同步电机永磁体的退磁故障，从退磁机理中寻找原因，避免退磁故障带来危害和损失。

1.1 永磁同步电机永磁体退磁分类

永磁同步电机永磁体退磁可分为以下2类：一类是全部退磁 （均匀退磁），是指磁钢中所有磁极均匀退磁，并且退磁到达一定的程度；另一类是部分退磁 （局部退磁），是指磁钢中某个磁极发生了退磁。

永磁体发生退磁故障时，由于磁路的对称性，定子电流产生的退磁磁动势作用在全部永磁体上，退磁故障通常表现为全部磁极退磁。

1.2 钕铁硼磁钢的性能

1.2.1 钕铁硼磁钢的主要磁参数

钕铁硼磁钢的主要成分是Nd2Fe14B，是当前磁性能最强的永磁材料。最大磁能积可达398 kJ／m3，理论值为527 kJ／m3，剩磁最高可达1．47 T，矫顽力最高可超过1 000 kA／m，内禀矫顽力最高可超过2 388 kA／m，目前最高工作温度可达200℃。

钕铁硼永磁材料的居里温度偏低，为310～410℃，温度稳定性较差，剩磁温度系数为－（0．095～0．15）% ／K，矫顽力温度系数为－（0．4～0．7）／K，目前实际使用的最高工作温度为150℃。

1.2.2 钕铁硼永磁材料产生不可逆退磁的条件

1.2.2.1 钕铁硼永磁材料的退磁曲线

钕铁硼永磁材料的退磁曲线如图1所示。

图1 钕铁硼永磁材料的退磁曲线

1.2.2.2 钕铁硼永磁材料的温度特性

钕铁硼永磁材料的温度特性如图2所示。

图2 N33SH钕铁硼永磁材料的温度特性

1.2.2.3 磁钢产生不可逆退磁的条件

由图1和图2可以清楚地看到，在常温下钕铁硼永磁体的退磁曲线为直线，无论外加多大退磁磁势，永磁体都不会产生不可逆退磁。

钕铁硼永磁体在高温下不能保持其退磁曲线为直线，在下部会发生弯曲，虽然在高温下，钕铁硼永磁体退磁曲线下部发生弯曲，但如果外加的退磁磁势较小，钕铁硼永磁体的工作点仍在退磁曲线的拐点bk以上，也不会产生不可逆退磁。

钕铁硼永磁材料要产生不可逆退磁，基于以下两个条件。

1）永磁材料处在一定的高温下，在该温度下，材料的退磁曲线由常温下的直线在拐点处变为曲线，退磁曲线发生弯曲。退磁曲线开始弯曲的那一点称为拐点，用bk表示。

2）永磁体在该温度下受到了较大的退磁磁势的作用，使永磁体工作点低于拐点bk。此时，当外加磁势取消后，永磁体工作点将沿着与退磁曲线平行的回复线移动。

只有在以上两个条件同时满足的情况下，永磁体才能产生不可逆退磁。因此高温和大电流尤其在大转矩情况下的电枢反应产生的较大退磁磁动势是永磁体产生不可逆退磁的最主要的原因。

1.3 磁钢退磁的原因

1.3.1 磁钢在高温下工作的失磁

以下因素使电机温升增加：①永磁同步电机运转时，在齿谐波的作用下，永磁体表面会产生涡流损耗。②电机安装空间狭小，电机散热条件差。③电机频繁起制动时电流大，电能消耗增大，根据电动机的热量公式Q=I2Rt，电动机运行中产生的热量与电流的平方成正比。④汽车的全天候行驶，特别盛夏季节时，道路上温度很高，如果没有良好的通风降温措施，电机周围环境温度将急剧增加。

上述因素共同作用，使安装于电机机壳内部的磁钢处于高温下工作，其退磁曲线的下部发生弯曲，易发生不可逆退磁。

1.3.2 较大退磁磁动势的生成

较大退磁磁动势的生成，是大电流 （包括定子故障产生的短路电流和过负载电流等）引起的电枢反应，尤其是大转矩情况的电枢反应。汽车在道路上运行工况复杂，在起动、突然制停和反转，定子绕组的匝间短路，在过载和瞬时超负载运行等都能造成大于额定电流数倍的大电流，生成较大退磁磁动势。

当永磁体运行点温度进一步升高，一旦超过永磁体的工作温度，永磁体就有发生退磁故障的可能。当永磁体发生失磁时，为满足负载运行的要求，需增加定子电流，而定子电流的增加，会形成较大的退磁磁势，同时进一步使电机的温度升高，永磁体进一步失磁，如此形成一个恶性循环，永磁体的工作点向退磁曲线的拐点以下移动，产生不可逆退磁。

1.3.3 钕铁硼永磁材料化学稳定性差

钕铁硼永磁材料化学稳定性差，成分中含有大量的钕和铁，易氧化不耐腐蚀。如永磁体外表防腐蚀层处理不好，产生电化学腐蚀和氧化，氧化后的永磁体变得松脆，永磁电机在高速运转时会使永磁体剥落，造成永磁体部分失磁。同时钕铁硼永磁材料脆而易碎，其生产、运输及电机运转过程中也易发生永磁体部分失磁。

1.3.4 磁钢温度时效的退磁

温度的变化会引起磁钢磁性能的变化，当永磁同步电机长期使用后，钕铁硼永磁材料在高温下磁性能会有损失。在升到一定温度时，材料磁性能将沿曲线逐渐降低，而当温度恢复后，磁钢剩磁会沿回复曲线恢复，但并不能回到原有值，而是发生了一部分不可逆的磁损。

对永磁材料而言， 是有使用寿命的，随时间的磁损与所经历时间的对数基本上成线性关系。永磁电机使用一定的年限之后， 日积月累也会造成磁钢退磁。

1.3.5 磁钢的振动失磁

磁钢在运输或安装时，如受到剧烈振动，有可能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。

综上所述，钕铁硼永磁电机磁钢退磁，常常是以上多种退磁原因共同作用的结果。尽管在永磁体设计、制造、安装以及电机运行过程中，采取了许多预防局部非均匀退磁和均匀退磁的技术措施，但永磁体的退磁故障仍然难以避免。

2 永磁同步电机磁钢严重退磁的有关标准

随着车用驱动电机系统产品研发和生产的不断深入，需要有相应的标准来进行规范和引导。国家质量监督检验检疫总局2015年2月24日发布了2个2015版的电动汽车电机及其控制器的国家标准，即GB／T 18488.1-2015《电动汽车用电机及其控制器技术条件》和GB／T 18488.2-2015《电动汽车用电机及其控制器试验方法》，2015年9月1日正式实施。

这2个标准是适用于各类电动汽车用驱动电机系统的通用标准，但由于内容涉及到电动汽车用的各类电机，因范围广，规定比较原则，对于永磁同步电动机的一些有针对性的特殊要求，如永磁同步电机的磁钢退磁等，在这2个国家标准中都没有体现并作出特别的规定。

工信部于2011年和2017年发布执行了2个汽车行业标准，即QC／T 893-2011《电动汽车用驱动电机系统故障分类和判断》和QC／T 1069-2017《电动汽车用永磁同步驱动电机系统》，这2个标准对于永磁同步电机磁钢严重退磁作了特别的规定，对国标进行了补充。

2.1 QC／T 893-2011电动汽车用驱动电机系统故障分类和判断

2011年12月20日，工信部发布了QC／T 893-2011《电动汽车用驱动电机系统故障分类和判断》的行业标准，于2012年7月1日正式实施。标准规定了电动汽车用驱动电机系统故障的确认原则、故障模式和故障分类。适用于各类电动汽车用驱动电机系统。

其中涉及到退磁的条文如下。

1）5故障分类 根据故障的危害程度，可分为致命故障、严重故障、一般故障和轻微故障四级。

2）附录A （规范性附录） 驱动电机系统故障模式，A.2退化型故障模式中将永久磁体退磁列入退化型故障模式。

3）附录B （规范性附录） 驱动电机系统故障模式及分类举例，表B.1致命故障中序号25，永磁体性能衰退，规定当驱动电机系统400 h可靠性试验后，电机失磁过高，造成最大转矩或最大功率性能低于技术条件规定指标的5%的情况时，即可判断为致命故障。表B.2严重故障中序号1，永磁体性能衰退，电机性能低于技术条件规定的指标，造成整车动力性能下降，即可判断为严重故障。

2.2 QC／T 1069-2017电动汽车用永磁同步驱动电机系统

2017年1月9日，工信部颁布了QC／T 1069-2017《电动汽车用永磁同步驱动电机系统》的行业标准，于2017年7月1日正式实施。标准主要规定了电动汽车用永磁同步驱动电机系统的技术要求、试验方法、检验规则、标志与标识。适用于电动汽车用永磁同步驱动电机系统标准中涉及到退磁的条文如下。

1）3术语和定义的3.7条文定义永磁体退磁为永磁体产生不可逆退磁的现象。

2）4技术要求的4.11条文永磁体老化中规定在老化试验后，因永磁体老化造成的驱动电机反电势下降比例应不大于产品技术文件规定值，供需双方可商定采用其他评判方法。

3）5检验方法的5.11条文永磁体老化退磁中规定，将经过GB／T 29307规定的可靠性试验后的驱动电机，按照5.3的方法复测反电势，计算可靠性试验前后的反电势下降比例。或按照供需双方可商定的方法表征和测试。

4）表A1检验分类 （续）的检验项目安全性驱动电机永磁体老化规定型式检验的检验项目。

这两个汽车行业标准，对电动汽车用永磁同步电机磁钢严重退磁的定义、检测和故障危害程度作了详细明确规定，为电机磁钢退磁的检测和判定，提供了依据。

3 电动汽车用永磁同步电机磁钢退磁的检测

3.1 单片磁钢磁性能的检测

对于单片磁钢，磁钢进厂后，检测单片磁钢的磁性能，符合要求即可入库待安装使用。检测可使用以下几种仪器。

1）特斯拉计 特斯拉计又称高斯计，是根据霍尔效应制成的，可以方便地测试气隙中的磁场、磁体的表面磁场和距磁体一定距离处的磁场。测试时，转动霍尔探头，使之与磁场方向垂直。特斯拉计测试的磁场是霍尔片上的平均磁场，接近于点测试，可以测出磁场的不均匀性。

2）磁通表 磁通表又称韦伯计，它是应用电磁感应定律测量磁通量的直读仪表。当测试线圈从磁场中抽出时，磁通表指针发生偏转。线圈内被测磁通或磁通密度可用仪表说明书中给定的公式计算。用抽拉线圈方法可以测得线圈面积内平均磁通密度或磁场值。

3）直流磁特性测试仪 直流磁特性测试仪能够同时测试材料的Br、Hc和 （BH）max值。其工作原理是用电子磁通计测出在外磁场作用下磁化强度或磁感应强度的变化，同时用另一电子磁通计或霍尔探头测出空隙中磁场的变化，将信号分别输入X-Y记录仪的x端和y端。由此自动记录材料的退磁曲线和磁滞回线。

3.2 永磁同步电机磁钢退磁的检测

由于永磁同步电动机的磁钢是安装在电机的转子上，必需将电机拆卸，取出转子，拆下单片磁钢，对其进行磁性能检测。整机拆卸过程繁杂，需用专用工装工具。

永磁同步电机磁钢退磁的检测，有用测量空载反电势或电机工作电流的变化来推测电机磁钢的退磁及其程度，但是需要指出是，即使磁钢没有退磁，电机的其它故障，如绕组匝间短路、断相等，也会引起电机空载反电势和工作电流产生变化；再者如不拆卸电机，检测时必须要安装拖动电机，在没有机台设备的情况下，检测较为困难复杂。

因此，本文提出一种在不拆卸永磁同步电机的情况下来检测电机磁钢退磁的方法，其原理是通过测量永磁同步电动机的齿槽转矩，根据齿槽转矩值的变化，来判断电机磁钢是否退磁以及退磁的程度，检测方便简捷易行。

3.2.1 永磁电机的齿槽转矩

3.2.1.1 永磁电机的齿槽转矩

2009年1月1日实施的国家标准GB／T2900.25-2008电工术语 旋转电机。在标准第411-48-45条，对齿槽转矩作了定义：无供电的永磁电机由于其转子和定子有自行调整至磁阻最小位置的趋势而产生的周期性转矩。

由此定义可知，齿槽转矩是永磁电机一种固有的现象。是在电枢绕组开路时，是永磁体产生的磁场和开槽电枢铁心相互作用下产生的，它的大小和其他因素无关，是一定值。齿槽转矩随转子位置改变呈现周期性变化，周期大小由永磁电机的磁极数与槽数决定，可以表示为以转子极数和定子槽数的最小公倍数，是基本周期的频谱函数。

从本质上而言，它是永磁体磁场与齿槽间作用力的切向分量引起的，是永磁体与电枢齿槽相互作用的结果，又因为它总是试图将定子齿槽和永磁磁极对齐在某一位置，故又将其称定位转矩。

齿槽转矩与定子电流无关，是定转子相对位置的函数，很大程度上取决于电机齿槽的结构和尺寸。它的存在会引起永磁电机的转矩和速度波动，使电机产生振动和噪声，如何有效削弱及抑制齿槽转矩，是近年来永磁电机研究的热点问题之一。

3.2.1.2 齿槽转矩和磁钢磁性能的关系

永磁同步电机的齿槽转矩解析表达式如式 （1）所示：

式中：Tcog（α，NS）——齿槽转炬，Nm；La——定子铁心的轴向长度，mm；μ0——真空磁导率；NS——电枢所斜的槽数（槽数）；θs1——用弧度表示的电枢齿距，rad；R1——电枢外半径，mm；R2——定子轭内半径，mm；P——极对数；Z——电枢槽数；n——为使nz／2p为整数的整数；Gn——傅里叶展开的系数；Brnz／2p——永磁体的剩磁，T；α——某一指定齿中心线和某一指定永磁磁极中心线之间的夹角，rad。

由式 （1）可见，永磁同步电机的齿槽转矩是由电机的电磁参数、极槽配合、定子及其槽形、转子磁极等参数决定的，不受外界输入的影响。电机制造完毕后，这些参数和结构均已固定，所以该电机的齿槽转矩是一定值。

电机投入运行后，如磁钢发生了退磁故障，磁钢的剩磁降低，但电机内部的其他参数是固定不变的，所以齿槽转矩值必将随磁钢剩磁的降低而下降，并且齿槽转矩值下降的程度直接反映出磁钢退磁的程度。将此概念引入到磁钢退磁的检验方法之中，把被检电机的齿槽转矩测定值，和该电机出厂前的齿槽转矩值进行对比分析，即可迅速地判断电机磁钢是否已退磁和其退磁的程度。

3.2.1.3 齿槽转矩的测量方法

齿槽转矩的测量方法多样，测试条件相差也大。

使用传感器的动态测量方法和使用步进电动机的静态测量方法，这两种检测永磁同步电机齿槽转矩的方法，虽然测量精度较高，但需在永磁同步电机上同轴安装联轴器、磁粉制动器、步进电动机和转矩传感器，工作量大，安装过程复杂，因此一般使用在要求测量精度高的场合。而在测量要求精度不高的场合，一般使用杠杆测力仪的静态测量方法。测量值实际为摩擦转矩和齿槽转矩的和，考虑到驱动电机的齿槽转矩一般较大，测量值可基本等同视为齿槽转矩值。测量方法如图3所示。

图3 杠杆测力仪的静态测量示意图

被测电动机放置于平台，将测力杠杆套进电机输出轴，手动拉动测力计，拉到杠杆滑动前瞬间的力的显示值Fmax，乘以测力杠杆的力臂长度L，就是齿槽转矩的单峰幅值。

为保证测量精度，需注意以下几点。

1）杠杆水平位置向上拉的瞬间，开始测量 （杠杆质量尽量轻）。

2）测力计向上拉时，要尽量保持力F与力臂L相互垂直。

3）向上拉时速度要缓慢并保持平稳。

使用杠杆测力仪的静态测量方法检测永磁同步电机齿槽转矩，是一种非常简单、直观、相对容易实现的测量方法，虽然测量精度不是很高，但检测方法简单实用，检测工作量小，电机从电动汽车上拆下后，将杠杆测力仪安装在电机输出轴上，在杠杆测力仪挂上测力机，即可进行检测。这种检测方法，电机不需要上测试台架，可就地进行检测，快捷、方便、易行，是一种值得推荐的永磁同步电机磁钢退磁检测的方法。

3.2.2 杠杆测力仪的检测工艺过程

检测电机齿槽转矩工艺过程如下。

1）提取永磁同步电机齿槽转矩峰值的原始数据 （可由电机制造商提供，或电机采购入库时自行用杠杆测力仪实测）。

2）从电动汽车上拆下电机，将处于冷状态的电机水平放置于铸铁平板上，用螺栓固定。

3）将测力杠杆安装套筒端用平键固定在电机输出轴上，测力杆处于水平位置。

4）把表盘测力仪 （或数显测力仪）挂钩装在测力杆顶端孔内，如电机与制动器一体，则须释放制动器 （测试全部结束后，取消电机制动器的释放）。手握测力仪顶端，垂直向上缓慢匀速提升，带动杠杆和电机轴逆时针转动。读取测力仪的周期的峰值数据 （公斤力）并记录。将测得的峰值乘以杠杆力臂即为齿槽转矩峰值 （公斤米）。取下测力仪。

5）将电机逆时针旋转120°，按上述步骤再测一次。取得电机此位置齿槽转矩峰值。将电机再逆时针旋转120°，按上述步骤再测一次，取得电机此位置齿槽转矩峰值。最后取电机3点不同位置齿槽转矩峰值的平均值，作为该电机的齿槽转矩峰值。

6）将测得齿槽转矩峰值与原始齿槽转矩峰值对比，判定磁钢是否退磁及其退磁程度并作出结论。

7）填写测试记录并存档，将电机原位装回。

4 结束语

磁钢是电动汽车用永磁同步电机的重要零件，道路行驶工况复杂，电机运行过程中受到各种因素的影响后，易引起的磁钢不可逆退磁，磁性能下降，引起电机过流或过热，导致电机无法正常运行，严重时甚至烧毁电机，发生安全事故。

本文介绍了电动汽车用永磁同步电机的永磁体材料及其磁性能，分析了钕铁硼永磁体不可逆退磁的形成条件和机理，介绍了评判永磁体退磁的标准，提出了在不拆卸永磁同步电机的情况下，使用杠杆测力仪的静态测量方法，检测永磁同步电机的齿槽转矩，并将测的数据与该电机出厂时的齿槽转矩数据，进行对比分析，来判定永磁同步电机永磁体是否失磁及其程度。这种检测方法，为电动汽车用永磁同步电机的磁钢失磁的检测，提供了一种简单易行快捷方便的测试方法，以保障电动汽车的安全行驶。