车用内置式永磁同步电机局部退磁分析_于冰.pdf

（）年第期第卷（总第期）车用内置式永磁同步电机局部退磁分析于冰，陈鑫，王丁（中车株洲 电机有限公司，湖南株洲；浙江中车尚驰电气有限公司，浙江海宁；）湖南省新能源汽 车电机工程技术研究中心，湖南株洲）摘要抗退磁能力是评价永磁电机性能优劣的重要因素之一，车用永磁同步电机受工作环境、功率密度等影响，永磁体易产生局部退磁。本文概述了永磁体的退磁机理，以一台存在局部退磁风险的极槽内置式永磁同步电机为例，分析了电机产生局部退磁时的转子磁场分布，提出在局部退磁区域增加辅助槽以增大该区域等效气隙来消除永磁体局部退磁风险的方法，分析了辅助槽尺寸对永磁体退磁情况及电机输出转矩的影响，通过选择合适的辅助槽尺寸消除了电机永磁体局部退磁的风险。关键词内置式永磁同步电机；局部退磁；辅助槽；有限元：中图分类 号：文献标识码：文章编 号：（），（，；，；？，）？，；引言能源与环境问题推动了新能源汽车产业的蓬勃发展，电机作为新能源汽车的驱动核心，直接影响着车辆运行的稳定性与可靠性。得益于效率、功率密度和功率因数等方面的优 点，永磁电机被广泛应用于新能源汽车领域。相比于表贴式永磁同步电机（？，），内置式永磁同步电机（，）具有更强的弱磁扩速性能，更匹配车用电机调速范围宽的需求，因此得到更广泛的应用、由于新能源汽车电机工作温度通常较高，作为电机重要组成部分的永磁体常常伴随有退磁的风险，因此在电机设计阶段必须重点考虑永磁体的退磁问题？。文献建立 了 多层磁障式少稀土永磁同步电机（年第期第 卷（总第期）（），）的解析法退磁分析模型，研究了永磁体位置参数及磁障位置对电机抗退磁能力的影响，为该类电机的抗退磁设计提供了参考。文献采用有限元法对一台多层铁氧体磁阻电机进行了分析，在不降低电机输出转矩的情况下，通过优化转子隔磁桥的结构显著提高了电机的抗退磁能力。文献基于有限元对一台压缩机用的退磁率进行了仿真，并与实测数据进行了对比，证明了仿真方法的有效性。文献利用有限兀分析了电机隔磁桥、办轴电流及温度对电机抗退磁能力的影响，并利用试验验证了有限元仿真的可行性。本文对一台具有局部退磁风险的极槽车用进行了分析，通过优化转子拓扑结构消除了永磁体局部退磁风险，提高了电机的抗退磁能力。永磁体退磁机理及分析方法永磁体退磁原因电机中永磁体退磁现象一般分为可逆退磁和不可逆退磁。在外加反向磁场作用下，永磁体工作点能保持在拐点右侧，撤除反 向磁场后永磁体磁密能够回复到初始剩磁，这种情况为可逆退磁；若外加反 向磁场较大，永磁体剩磁低于退磁曲线拐点，撤除外加磁场后永磁体将无法回复到初始剩磁，称之为不可逆退磁。如图所示为在下的典型曲线，当永磁体所承受的反 向磁场在以上时，永磁体存在不可逆退磁的风险。皆（）图退磁曲线？退磁分析方法永磁体的退磁分析方法主要有磁路法和有限兀法磁路法一般是将永磁体简化等效成与一个恒定的 内磁导。相并联的磁通源或者与一个恒定的 内磁导。相串联的恒磁动势源，计算外磁路各部分的磁导，通过假定一个永磁体初始工作点利用迭代计算确定最终的永磁体负载工作点。磁路法能够快速判定当前永磁体是否存在退磁风险，但其计算结果代表的是永磁体整体的工作点，无法反映永磁体的局部工作状态，同时当磁路结构较为复 杂时磁路法计算结果精度较低。有限元法是一种用于求解微分方程组或积分方程组数值解的数值方法，在求电磁场问题的求解中应用十分广泛，其优点在于计算精度高，计算结果全面，能够反映永磁体不同区域的工作状态，但计算速度相对较慢。对于内置式永磁同步电机，转子磁路结构较为复杂，局部饱和情况严重，因此一般用有限元法分析电机永磁体的退磁情况。基于有限元的退磁分析电机基本参数图为一合车用永磁同步电机的定转子结构图，电机详细信息如表所示。该电机转子拓扑采用 了“双一”结构以增大磁阻转矩。表为该电机主要性能参数。图电机定转子拓 扑表电机主要性能参数参数数值参数数值定子槽数极对数定子外径（）转子外径（）峰值电流（）磁钢牌号额定转速（）峰值转速（）由表可知电机最大运行电流为，为了保证电机的安全稳定运行，需要留有一定的安全裕量，因此一般要求永磁体在高温条件下的抗退磁电流不低于最大运行电流的倍，即（）年第期第卷（总第期）要求在 的纯去磁电流作用下，永磁体没 有退磁风险。根据电机参数建立相应的有限元模型，将转子轴与定子相绕组轴线对齐，使绕组产生的磁势方向与永磁体充磁方向正好相反。利用有限元分析软件作出永磁体区域在充磁方向 反 向上的磁势分量云图，结果如图所示。如图所示，下层磁钢左上角和右上角分别 有部分区域（即黑色区域）的磁势分量值低于，即在该区域永磁体承受的 反 向磁场强度大于，存在一定的局部退磁风险，因此需要进行优化设计以增加电机的抗退磁能力。图局部退磁区域示意图优化方法为了提高电机的抗退磁能力，可以采用提高永磁体工作点的方法，主要措施如下：（）増加气隙长度。（）增加永磁体厚度。方法（）中随着气隙长度的增加，气隙磁阻曽大；去磁磁场强度在气隙中的衰减程度增加；永磁体退磁承受的 反向磁场强度也随之降低。但在降低永磁体退磁风险的同时也 削弱了电机正常工作时的输出转矩。方法（）中增加永磁体的厚度在提高永磁体工作点的 同时增加了等效气隙长度，有效降低了永磁体的退磁风险。但増加了永磁体用量，电机的生产制造成本也随之增加。针对上节永磁体产生局部小面积退磁的现象，采用以上两种方法均能达到降低电机退磁风险的目的，但也会导致电机输出能力降低或者生产制造成本增加，因此本文提出另一种方法，对存在退磁风险区域的电机转子拓扑进行优化设计以降低永磁体退磁风险，提高电机抗退磁能力。抗退磁优化设计由上节可知在下层磁钢两个边角部分存在退磁风险，本节通过分析电枢反向磁场来制定优化路线，转子的磁场强度分布云图分布如图所示。由图可知，反向磁场几乎全部作用于两块磁钢上，且反 向磁场最大值出现在磁场上侧的边角处，与前述章节磁钢局部退磁示意区域图相互对应，图退磁磁场分布考虑到局部退磁区域所占面积较小且对称分布在下层磁钢的上侧边角处。基于前述章节的分析，可以通过降低该处的反向磁场强度，提高永磁体外磁压降从而达到提高该处永磁体工作点的目的。基于此，在下层磁钢的两个边角处增加辅助槽，开槽方式如图所示，并引入两个变量和？。分别给定和定的变化范围，通过调整仏和的值调整辅助槽的尺寸。喜 图转子磁场强度最 大值受和的影响图为电机绕组通入最大纯去磁电流时，电机转子磁场强度最大值受和变化的影响。由图可知，当在以下时，转子磁场强度最大值随着的增加呈现增大的趋势，当在以上时，该值随着的增加而减小。年第期第卷（总第期）（）图电机输出转矩受和的影响优化结果对比综合图至图的仿真结果，最终选择，优化前后的结构以及反向磁场分布云图的对比如图所示，图中磁钢深色部分为反 向磁场的区域。与优化前相比较，磁钢所承受反 向磁场最大值由 降至以下，反向磁场强度处于以上的面积占比由降低至，引入的辅助槽有效地消除了磁钢局部退磁风险。如图所示为优化前后电机的输出转矩曲线对比，可以看到增加辅助槽前后电机的输出转矩曲线基本重合，优化前后电机输出转矩基本不变。）优化則（）优化后图优化前后退磁区域对比 电角度（）图优化前后转矩对比（下转页）（）图永磁体承受的反向磁场强度最大值受和：的影响图为电机绕组通入最大纯去磁电流时，电机磁钢承受的 反向磁场强度最大值受和变化的影响，当在以下时，磁钢承受反 向磁场随着的增加而增大，当大于时，磁钢承受的反 向磁 场最大值随着的增大而减小。优化设计结果优化变量选择以为边界对图所示的磁场强度云图进行划分，结果如图所示，由图可知当和的组合处于云图右上角浅色 区域时，永磁体在最大纯去磁电流下没有退磁风险。易知增加等效气隙长度会增加气隙磁压降，影响电机的输出转矩，因此需要计算和变化对电机输出转矩的影响，计算结果如图所示。当小于时，逋着的增加，电机输出转矩呈现增加的趋势；当大于时，电机输出转矩随着的增加而减小。总的来看，在设定的变量范围内，转矩的最大衰减不足，即增加辅助槽引入的等效气隙对转矩的最大削弱程度低于图永磁体承受的反向磁场强度 最大值分布云图（）（）玻擗田 年第期（）第卷（总第期）荷，从结构可知，轴是实心的，永磁体直接表贴在轴上，转子上无径向通风道无轴向通风道。在此基础上，并考虑一定裕量的前提下，利用集成在的插件进行温度场分析，当进风口风量满足，冷却气体人口温度是，压降是时，冷却气体出口温度是，定子绕组温度平均值是，绕组最高点温度丈，转子最高温度是，由此可见满足电机冷却要求。生产制造过程本案例永磁同步电动机对性能影响最大因素就是同轴度的形位公差。转速越高，同轴度要求越严格，否则会产生较大的、倍频激励，造成电机振动，同时也容易损坏轴承。因此在轴、转子、轴瓦、机座的加工过程应尽量控制同轴度及自身的圆柱度，装配过程中，定转子应尽量对齐，以减小电磁激励。（上接页）结语本文简要概述了永磁体的退磁机理，陈述了在实际仿真分析中判断电机是否具有退磁风险的依据，并对一台存在永磁体局部退磁风险置的极槽内置式永磁同步电机磁场进行了分析。提出在存在退磁风险的区域增加辅助槽以增大该区域等效气隙长度，从而消除永磁体局部退磁风险的方法。参考仿真结果中的磁密分布云图，在磁钢退磁区域附近增加了两个辅助槽，制定了与辅助槽尺寸相关的变量，分析了变量在一定变化区间内对电机转子磁场、磁钢局部退磁面积以及电机输出转矩的影响，根据分析结果选取了合适的辅助槽尺寸。对比优化前后不改变电机输出能力及增加制造成本的情况下，通过增加的磁场辅助槽达到了消除永磁体退磁风险的目的，为电机永磁体局部退磁的优化设计提供了参考方向。参考文献唐任远现代 永磁电机：理论与设计北京：机械工业出版社，宋腾飞，刘慧娟，张振洋，等车用永磁同步电机拓扑结构优化与 实验 研究电机与控制 学报，结语经试验结果可知，电机性能满足设计初期，温升低，噪音 小，且运行稳定，十分优良。全文以变频调速永磁三相同步电动机为例，对空载状态、额定状态、失步转矩、齿槽转矩以及固有频率、临界转速、发热冷却等进行对比分析，并结合试验结果，更好的了解变频调速永磁三相同步电动机的特性，为以后系列化设计及生产永磁电机提供了 宝贵经验。参考文献唐任远现代永磁电机理论与设计北京：机械工业出版社，王秀和永磁电机北京：中国电力出版社，作者简介：徐晓慧女 年生；毕业 于哈尔滨理工大学电气自动化专业，现从事电机设计工作收稿曰期（）：，？，师 蔚高 密度永磁电机永磁体防退磁技术的研究上海大学，（）：王伟男电动汽车用 多层磁障式少稀土永磁同步电机关键技术研究哈尔滨工业大学，（）：周启风，张兴志，范杰基于有限元的压缩机用永磁同步电机退磁分析微特电机，（）：王宗亮，蔡巍内置式永磁同步电机电磁退磁性能研究微电机，（）：王秀和永磁电机北京：中国 电力出版社，作者简介：于冰男年生；毕业 于沈阳工业大学电机与 电器专业，现从事新能 源汽 车电机设计研发工作收稿日期：