永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子退磁問(wèn)題分析

吳進(jìn)，張干

(上海汽車(chē)變速器有限公司，上海 201807)

0 引言

永磁同步電機(jī)因具有高功率密度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。釹鐵硼(NdFeB)永磁材料由于具有較高的最大磁能積(BH)max、剩磁Br和矯頑力Hc，被廣泛應(yīng)用于永磁電機(jī)[1]。但釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性不夠理想，磁性溫度系數(shù)較高，高溫運(yùn)行時(shí)可能導(dǎo)致嚴(yán)重磁損，且在某些工況下若電流激增，也將導(dǎo)致不可逆退磁[2]。本文作者以一臺(tái)在溫升試驗(yàn)中發(fā)生轉(zhuǎn)子退磁故障的電機(jī)為例，對(duì)失效原因進(jìn)行分析，找出引發(fā)退磁的相關(guān)影響因素和風(fēng)險(xiǎn)程度，同時(shí)驗(yàn)證電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 試驗(yàn)現(xiàn)象

文中所研究的對(duì)象為某高速電機(jī)，該電機(jī)為釹鐵硼永磁同步電機(jī)，冷卻方式為水冷，最高轉(zhuǎn)速15 000 r/min。

為驗(yàn)證該電機(jī)在高速工況下運(yùn)行的可靠性，計(jì)劃進(jìn)行連續(xù)3個(gè)高速負(fù)載工況的臺(tái)架溫升試驗(yàn)。工況一：15 000 r/min@55 kW，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)45 min；工況二：15 000 r/min@70 kW，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)6 min；工況三：15 000 r/min@100 kW，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)60 s。在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，在工況三進(jìn)行到23 s時(shí)，電機(jī)溫度達(dá)到最高許用溫度179 ℃，軟件報(bào)故障停機(jī)。清除故障重新上電后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的輸出功率明顯小于輸入功率。隨后測(cè)量了電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，與正常值相比下降了50%左右，如圖1所示。由此判斷，電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生了不可逆退磁。

2 失效件拆解

將轉(zhuǎn)子總成從電機(jī)中拆出后，用磁極觀察片觀察發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子中間區(qū)域退磁嚴(yán)重，如圖2(a)所示。

圖2 用磁極觀察片觀察轉(zhuǎn)子總成和單片磁鋼

進(jìn)一步拆解轉(zhuǎn)子，透過(guò)觀察片觀察單片磁鋼，發(fā)現(xiàn)部分磁鋼局部退磁且存在磁極反向現(xiàn)象，如圖2(b)所示。

拆解轉(zhuǎn)子中的每一片磁鋼，逐個(gè)檢測(cè)磁通，并按照磁鋼所在的鐵芯層(共6層)和轉(zhuǎn)子周向角度位置繪制各層磁鋼的磁通分布曲線，如圖3所示，可以得出，不同鐵芯層中的磁鋼退磁程度差異較大，轉(zhuǎn)子兩端(1、2、6層)的磁鋼退磁不明顯，而轉(zhuǎn)子中間層(3、4、5層)的磁鋼退磁較為明顯，特別是第4層退磁最為嚴(yán)重。

圖3 各層磁鋼磁通分布曲線

3 永磁體退磁的潛在原因分析

永磁體退磁的潛在原因有很多，比如高溫、機(jī)械振動(dòng)、撞擊、化學(xué)腐蝕、反向磁場(chǎng)、輻射、自然失效等，其中，高溫和反向磁場(chǎng)是引起永磁體退磁的主要原因。

3.1 高溫退磁

釹鐵硼永磁材料最突出的不足之處是熱穩(wěn)定性較差，居里溫度較低，一般為310～410 ℃，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度溫度系數(shù)αBr可達(dá)-0.13%K-1，磁化強(qiáng)度矯頑力溫度系數(shù)αHci達(dá)-(0.6～0.7)%K-1，溫度過(guò)高可能導(dǎo)致永磁體發(fā)生不可逆退磁[3]。高溫來(lái)自于兩個(gè)方面：一是轉(zhuǎn)子鐵芯和磁鋼本身的渦流發(fā)熱引起溫升；二是定子向轉(zhuǎn)子的傳熱。當(dāng)電機(jī)處于高速弱磁工況時(shí)，電機(jī)自身的合成磁場(chǎng)就會(huì)存在大量的諧波，導(dǎo)致永磁體的外部形成渦流，進(jìn)而引起永磁體溫度上升。相對(duì)轉(zhuǎn)子的發(fā)熱而言，定子繞組的溫升往往更快，定子與轉(zhuǎn)子間的溫度差導(dǎo)致定子通過(guò)空氣對(duì)流向轉(zhuǎn)子傳熱，盡管定、轉(zhuǎn)子間的氣隙熱阻較大，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，定子與轉(zhuǎn)子的溫差將逐漸減小。

3.2 反向磁場(chǎng)

在永磁同步電機(jī)的矢量控制策略中，主要分兩個(gè)控制階段：MTPA(Maximum Torque per Ampere，最大轉(zhuǎn)矩電流比)控制階段和MTPV(Maximum Torque per Voltage，最大轉(zhuǎn)矩電壓比)控制階段。在高速負(fù)載工況下，電機(jī)控制處于MTPV控制階段，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和永磁體磁場(chǎng)方向相反，有一定的退磁風(fēng)險(xiǎn)，若此時(shí)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制參數(shù)不準(zhǔn)確尤其是出現(xiàn)故障異常狀態(tài)，可能出現(xiàn)過(guò)大的動(dòng)態(tài)電樞電流，產(chǎn)生較強(qiáng)的反向磁場(chǎng)，引起永磁體均勻退磁或部分區(qū)域的非均勻退磁[4-5]。

4 電機(jī)溫度分布仿真

電機(jī)的定子繞組端部埋有溫度傳感器，在臺(tái)架測(cè)試時(shí)定子溫度可實(shí)時(shí)讀出，但轉(zhuǎn)子的溫度卻難以測(cè)量。為了解高速負(fù)載工況下電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間溫度差異，以工況一(15 000 r/min@55 kW)為例，對(duì)整個(gè)電機(jī)的溫度分布情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4所示?？芍河捎诶鋮s水道的影響，電機(jī)定子繞組的外側(cè)溫度較低，而繞組端部及內(nèi)側(cè)溫度較高，為150 ℃左右；而轉(zhuǎn)子的溫度分布軸向上呈現(xiàn)出中間高、兩頭低的趨勢(shì)，兩端的溫度與定子繞組端部接近，為140～160 ℃，而中間區(qū)域溫度明顯高于轉(zhuǎn)子兩端和定子繞組，最高溫度高達(dá)230 ℃以上。這一溫度已經(jīng)超過(guò)了產(chǎn)品磁鋼的工作耐溫極限(200 ℃)，部分磁鋼確實(shí)有高溫退磁的風(fēng)險(xiǎn)。在工況二、工況三下，隨著輸出功率的進(jìn)一步提升，定、轉(zhuǎn)子溫度也會(huì)進(jìn)一步升高，磁鋼高溫退磁的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)越來(lái)越大。

圖4 工況一(15 000 r/min@55 kW)下電機(jī)溫度分布圖

5 退磁試驗(yàn)分析

由于電機(jī)內(nèi)部溫度分布復(fù)雜，仿真值與實(shí)際值可能存在一定的誤差，接下來(lái)采用試驗(yàn)的方式對(duì)永磁體退磁的相關(guān)原因進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 永磁體退磁試驗(yàn)

首先進(jìn)行永磁體單體試驗(yàn)。為排查磁鋼在高溫下的退磁風(fēng)險(xiǎn)，取3塊磁鋼產(chǎn)品，測(cè)初始磁通，再放入烘箱，在200 ℃的溫度下保溫2 h，冷卻至室溫后復(fù)測(cè)磁通，得到試驗(yàn)后磁通衰減率數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

可知：磁鋼在200 ℃高溫下具有較高的磁穩(wěn)定性，磁性基本無(wú)衰減。取1號(hào)、3號(hào)磁鋼，用磁極觀察片觀察可見(jiàn)磁鋼表磁形態(tài)清晰、邊緣完整，未見(jiàn)任何異常，如圖5所示。

圖5 磁鋼表磁形態(tài)

為進(jìn)一步考查磁鋼可靠性，又進(jìn)行了兩組高溫加反向充磁的復(fù)合試驗(yàn)。一組是將3塊磁鋼產(chǎn)品在150 ℃下保溫30 min，后快速移至充磁現(xiàn)場(chǎng)，采用1 T磁場(chǎng)反充磁，后冷卻至室溫測(cè)磁通；另一組是將3塊磁鋼150 ℃下保溫30 min后用2.25 T磁場(chǎng)反充磁，后冷卻至室溫測(cè)磁通，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2?？芍涸谳^高溫度下，當(dāng)外加反向磁場(chǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度，磁鋼會(huì)出現(xiàn)不可逆退磁，隨著反向磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，磁鋼的不可逆退磁也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

表2 磁鋼高溫+反充磁試驗(yàn)前后磁通變化

5.2 電機(jī)退磁試驗(yàn)

基于上述永磁體單體試驗(yàn)，接下來(lái)需進(jìn)一步在電機(jī)上進(jìn)行相關(guān)退磁試驗(yàn)。由永磁體的退磁試驗(yàn)可知反向磁場(chǎng)的大小與永磁體退磁程度直接相關(guān)，這里先進(jìn)行電機(jī)弱磁電流退磁試驗(yàn)。

5.2.1 大弱磁電流退磁試驗(yàn)

選一臺(tái)合格電機(jī)，首先測(cè)試工況一、二、三的直軸電流Id(弱磁電流)曲線，分別如圖6(a)、6(b)所示，可知工況一、二、三的Id最大值分別為-320、-350、-400 A。為驗(yàn)證大弱磁電流對(duì)電機(jī)磁鋼退磁的影響，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min(若電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，在較大的弱磁電流下，電機(jī)溫升會(huì)很快，難以客觀評(píng)價(jià)單純?nèi)醮烹娏鲗?duì)退磁的影響)，將Id進(jìn)一步提升至-600 A，保持60 s，如圖7所示，后復(fù)測(cè)電機(jī)性能，發(fā)現(xiàn)輸出扭矩?zé)o衰減，磁鋼未退磁，可以得出：大弱磁電流不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)磁鋼退磁。

圖6 工況一、二、三的Id(弱磁電流)曲線

圖7 Id為-600 A時(shí)的退磁試驗(yàn)

5.2.2 轉(zhuǎn)子溫度實(shí)測(cè)試驗(yàn)

與定子不同，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子溫度的直接測(cè)量一直是較為困難的，一般來(lái)說(shuō)有3種方式：(1)在轉(zhuǎn)子中預(yù)埋溫度試紙；(2)在轉(zhuǎn)子中預(yù)埋溫度傳感器；(3)無(wú)線遙感測(cè)試。考慮到溫度試紙測(cè)量精度較差，且僅能記錄單一最高溫度，而遙感測(cè)試代價(jià)較高、準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)，本文作者采用方式二。試驗(yàn)前，需要對(duì)轉(zhuǎn)子總成做一些“改造”，先在轉(zhuǎn)子端部的一層鐵芯的磁鋼旁埋置溫度傳感器測(cè)量頭，傳感器線穿過(guò)事先鉆好小孔的電機(jī)軸(空心軸)，并從電機(jī)軸的空腔內(nèi)部引出，然后用膠灌滿電機(jī)軸空腔，靜置待其凝固，從而使傳感器線固定在電機(jī)軸內(nèi)，避免轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)線被甩斷。試驗(yàn)過(guò)程中由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，傳感器的引出線端與數(shù)采設(shè)備是未連接的，讀數(shù)時(shí)需停機(jī)并將傳感器連上數(shù)采。試驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)行工況一(15 000 r/min@55 kW，45 min)(由于臺(tái)架原因，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速被限制在15 000 r/min)測(cè)試，后快速停機(jī)、接線、測(cè)溫度，再斷開(kāi)傳感器，連續(xù)進(jìn)行工況二(15 000 r/min@70 kW，6 min)和工況三(15 000 r/min@100 kW，60 s)測(cè)試，后停機(jī)、接線、測(cè)溫度。最后復(fù)測(cè)電機(jī)輸出扭矩，無(wú)衰減，磁鋼未退磁。定、轉(zhuǎn)子的起始溫度和試驗(yàn)后的溫度情況見(jiàn)表3。可知：在3個(gè)工況結(jié)束后，轉(zhuǎn)子最高溫度在152 ℃左右，與定子溫度相近。需要注意的是，由于試驗(yàn)條件限制，轉(zhuǎn)子中的溫度傳感器埋置在轉(zhuǎn)子端部而非中心區(qū)域，結(jié)合前文電機(jī)溫度分布仿真的結(jié)果可以推測(cè)，轉(zhuǎn)子軸向中心部分的溫度會(huì)更高。在如此的高溫、大弱磁電流的惡劣工況下，磁鋼沒(méi)有發(fā)生退磁，可見(jiàn)電機(jī)中永磁體的磁穩(wěn)定性較高。

表3 轉(zhuǎn)子溫度測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

基于上述分析和試驗(yàn)，初步推測(cè)失效電機(jī)并非因正常工作下的高溫和弱磁電流導(dǎo)致。為驗(yàn)證這樣的推測(cè)，最后進(jìn)行電機(jī)相同工況的復(fù)測(cè)試驗(yàn)。

5.2.3 電機(jī)退磁工況復(fù)測(cè)試驗(yàn)

為保證試驗(yàn)的一致性，采用相同的電機(jī)(僅更換了失效的轉(zhuǎn)子總成)，并在相同的臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)。工況一為15 000 r/min@55 kW，測(cè)試時(shí)間45 min；工況二為15 000 r/min@70 kW，測(cè)試時(shí)間6 min；工況三為15 000 r/min@100 kW，測(cè)試時(shí)間為60 s。3個(gè)工況測(cè)試的溫度和扭矩隨時(shí)間變化的曲線分別如圖8、圖9、圖10所示。圖10中，由于定子溫度傳感器的測(cè)試量程最多到180 ℃，180 ℃以上為預(yù)估溫度。

圖8 工況一(15 000 r/min@ 55 kW)溫升測(cè)試

圖9 工況二(15 000 r/min@70 kW)溫升測(cè)試

圖10 工況三(15 000 r/min@100 kW)溫升測(cè)試

整理3個(gè)工況的數(shù)據(jù)，并與首次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)(由于臺(tái)架原因，首次測(cè)試的輸出扭矩未做記錄)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 兩次電機(jī)溫升測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

可知：從電機(jī)溫度上看，第二次測(cè)試比第一次測(cè)試更為嚴(yán)苛，在電機(jī)溫度達(dá)到179 ℃后繼續(xù)進(jìn)行了30 s左右的溫升，預(yù)測(cè)電機(jī)最高溫度達(dá)到217 ℃左右。實(shí)際上電機(jī)正常工作時(shí)軟件帶有過(guò)溫保護(hù)功能，電機(jī)溫度一旦達(dá)到179 ℃時(shí)，軟件就會(huì)將扭矩指令降為0，第二次測(cè)試時(shí)為了加嚴(yán)試驗(yàn)，禁用了軟件過(guò)溫保護(hù)。待電機(jī)冷卻后，復(fù)測(cè)扭矩?zé)o衰減，磁鋼未退磁。說(shuō)明電機(jī)系統(tǒng)正常工作時(shí)永磁體具有較高的磁穩(wěn)定性，同時(shí)可以推斷首次試驗(yàn)時(shí)永磁體的退磁失效為非正常的弱磁電流在電機(jī)高溫運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致。

6 結(jié)論

針對(duì)某三合一電機(jī)轉(zhuǎn)子退磁問(wèn)題，通過(guò)永磁體退磁影響因素理論分析、電機(jī)溫度分布仿真、退磁試驗(yàn)等方法進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)所分析的電機(jī)在正常工作時(shí)具有較高的熱穩(wěn)定性和磁穩(wěn)定性，失效原因應(yīng)為電機(jī)高溫工作時(shí)受到異常弱磁電流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)作用導(dǎo)致。

(2)要保證電機(jī)中永磁體的磁穩(wěn)定性，除了選用耐溫等級(jí)足夠的磁鋼之外，還要高度關(guān)注電機(jī)控制器的控制，特別是要保證電機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)弱磁控制的可靠性與穩(wěn)定性。