考虑温度特性的永磁电机建模及退磁分析*

刘 麦

（1.海南经贸职业技术学院，海南 海口 571127；2.海南省智能电网装备工程研究中心，海南 海口 571127）

永磁体是永磁电机的重要组成部分，作为励磁磁极为电机的运转提供磁场。由于永磁电机结构简单，永磁材料高剩磁、高矫顽力的优点，以及永磁材料开采、提炼、加工技术的提高，永磁电机的应用越来越广泛[1-2]。永磁体的磁性能直接关系着永磁电机的稳定性和可靠性，然而永磁材料本身也存在着磁性能稳定问题，在温度、电流、振动等因素下会出现退磁现象，甚至发生不可逆失磁[3]。不可逆失磁使电机性能急剧下降，严重时会使电机停转，影响电机的可靠性，特别是对于电动汽车而言，直接影响着行驶安全性。因此，对电机永磁体磁性能及退磁分析就显得十分重要。目前，永磁材料性能优良的是NdFeB，在电动汽车驱动电机中应用广泛[4]，N38SH是一种常用于永磁电机的稀土永磁材料牌号，本文采用N38SH材料的永磁同步电机进行仿真建模计算。

1 永磁体的温度特性

图1 N38SH退磁曲线

退磁曲线是表征永磁材料特性的重要特性曲线，包括退磁曲线和内禀退磁曲线，如图1所示。退磁曲线表示永磁材料被完全磁化后无外励磁时的磁通密度B与磁场强度H之间的关系，特征参数剩磁Br表示去掉充磁磁场后材料的剩余磁场，矫顽力Hcb表示磁性材料抵抗退磁的能力。内禀退磁曲线是在外磁场作用下被磁化后产生的内在磁感应强度，表征永磁材料内在磁性能，主要影响磁铁材料稳定性，特征参数内禀矫顽力Hcj与稀土永磁体的温度稳定性密切关系，内禀矫顽力越高，温度稳定性越好[5]。

NdFeB稀土永磁材料退磁曲线因温度的不同而有所变化，牌号N38SH的稀土永磁材料最高工作温度150℃。低温环境下退磁曲线在第二象限接近直线，可简化为线性关系进行仿真计算。而温度升高时，在第二象限将出现拐点，B-H曲线为非线性关系。

2 考虑温度特性的永磁电机建模

利用Ansys仿真软件的Maxwell模块建立模型，通过Maxwell 2D材料属性中输入不同温度的退磁曲线或内禀退磁曲线进行分析即可仿真计算在此温度时的电机性能及分析不同温度下电机性能的差异。为减小计算量，根据电机48槽8极、呈现对称结构特点，取1/8结构用于仿真计算，并对定子、转子、永磁体进行网格剖分，如图2所示。

图2 永磁同步电机仿真模型

仿真计算20℃和150℃下永磁电机的性能，从而对比分析温度特性下永磁电机的退磁现象。20℃时，永磁材料退磁曲线简化为线性关系，通过输入Hcb和Br确定，Hcb为917kA/m，Br为1.23T。150℃时，材料库中将永磁材料相对磁导率类型改为非线性，输入非线性内禀退磁曲线，如图3所示。激活永磁体温升特性，根据永磁材料厂家提供的温度系数α=-0.1和β=-0.6，定义磁通和磁场的温升函数分别为1.0-0.001*(Temp-20)和1.0-0.006*(Temp-20)。

图3 N38SH 150℃B-H内禀退磁曲线

3 温度特性对永磁电机的退磁影响

分别计算空载无外部激励时，20℃和150℃退磁曲线下的磁通密度云，如图4所示。从仿真结果看，采用20℃和150℃退磁曲线时永磁体的磁通密度分布大致相同。20℃退磁曲线下永磁体磁感应强度在1.075 6T～1.226 9T之间，而150℃时永磁体磁感应强度在0.940 8T～1.060 6T之间。因此，温度的升高使得永磁体的整体磁场变弱，磁性能下降。

图4 空载磁通密度云

图5 空载磁链

磁链是电流回路所链环的磁通量，空载时磁链呈标准的正弦波波形，谐波含量低，如图5所示。20℃退磁曲线下磁链峰值为0.173 7Wb，而150℃时磁链峰值为0.146 9Wb。随着温度的升高，磁链减小。根据磁链公式Ψ=Nφ可知，磁链Ψ与线圈匝数N和穿过线圈各匝的平均磁通量φ成正比例关系，与仿真计算的磁感应强度结果相匹配。

空载反电动势是电机空载气隙磁场与电枢绕组进行相对运动而在电枢绕组内产生的电动势，反映电机在无外部激励时气隙磁通的分布情况。给定电机转速为3 000rpm，20℃退磁曲线下电机的空载反电动势峰值为226.6749V，150℃退磁曲线下空载反电动势峰值为193.404 7V，如图6所示。由公式ei=Tω可知，当输入电流不变时，反电动势下降将引起电磁转矩T的下降。

图6 空载反电动势

恒转速负载下，给定电机峰值250A、频率50Hz的正弦交流电流源，仿真计算不同温度下的转矩值变化，如图7所示。20℃退磁曲线下平均转矩值为248.595 8N·m，而150℃时平均转矩值为169.311 8N·m。可知，温度升高导致的退磁使得永磁同步电机的转矩输出严重下降，将导致电机性能下降，输出不足。如果出现不可逆失磁，严重时电机将不能驱动负载甚至被烧毁，对电机危害很大。

图7 负载转矩

4 结论

导致永磁体失磁的因素很多，高温是其重要的一个因素。通过运用Ansys的Maxwell模块对永磁同步电机进行仿真分析计算，验证了温度的升高将导致磁感应强度减弱，磁性能降低，在恒定负载下时要求输出的电磁功率不变，电机性能下降必然会使功率角增大和电流增加来输出负载所需电磁力矩。而功率角增大和电流增加，电机的铁损和铜损都会增加，温度进一步升高，最终导致电机出现严重故障。因此，电机工作过程中需注意工作温度，采取适当的冷却措施，保障电机工作在合适的温度环境。