面向有限元下壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)的退磁研究

陳錦波

摘 要：在新時(shí)期環(huán)境下，諸多電器設(shè)備中的壓縮機(jī)會(huì)用到永磁同步電機(jī)，而此類電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)直接對(duì)壓縮機(jī)的性能造成影響，其中永磁同步電機(jī)的退磁情況則會(huì)嚴(yán)重影響其電機(jī)的運(yùn)行，這就需要做好對(duì)壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)的退磁研究，盡可能避免這種情況的發(fā)生。下面，本文就以有限元的方法實(shí)施評(píng)價(jià)方法的構(gòu)建，來(lái)對(duì)壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)的退磁實(shí)施研究，希望對(duì)相關(guān)工作的開展提供參考。

關(guān)鍵詞：有限元;壓縮機(jī);永磁同步電機(jī);退磁研究

目前空調(diào)成為了人們生活和工作中不可或缺的電器設(shè)備，而為了更好提升空調(diào)的舒適性以及能效性，對(duì)變頻空調(diào)的研發(fā)力度逐漸增加。而變頻空調(diào)內(nèi)壓縮機(jī)所用的是永磁同步的電機(jī)實(shí)施驅(qū)動(dòng)，但當(dāng)電機(jī)發(fā)生異常的情況后，可能導(dǎo)致瞬時(shí)的電流突然增加，使永磁體發(fā)生不可逆的退磁情況，進(jìn)而對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能產(chǎn)生影響。而想要實(shí)現(xiàn)電機(jī)能夠正常和穩(wěn)定地運(yùn)行，就需要對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)期間就需要做好對(duì)其退磁的研究，避免后期出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

1.壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)的退磁原理分析

現(xiàn)階段空調(diào)所用變頻壓縮機(jī)其內(nèi)部電機(jī)一般采用釹鐵硼磁鐵，其基本的磁性能情況，可以通過(guò)磁滯回線進(jìn)行反映，也就是B=f（H） ，釹鐵硼磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度B大小會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而發(fā)生變化， 如下圖1。

按照上圖進(jìn)行分析，當(dāng)一塊沒(méi)有磁化的釹鐵硼磁鐵位于變化的磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行磁化時(shí)，磁化曲線先自坐標(biāo)的原點(diǎn)0起始，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B會(huì)隨磁場(chǎng)的強(qiáng)度增加而增大，且漸漸趨于a點(diǎn)飽和的狀態(tài)。后再增加外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度，B基本是保持不變的，此時(shí)a點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs被稱作飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 [1]。

在釹鐵硼磁鐵進(jìn)行充磁且達(dá)到了飽和狀態(tài)后，此時(shí)逐漸減小外加的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則釹鐵硼磁鐵內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)隨之逐漸減小，而B-H的關(guān)系不依照0a曲線下降， 而是按圖1內(nèi)的ab曲線下降。在外加的磁場(chǎng)是零時(shí)，釹鐵硼磁鐵內(nèi)磁感應(yīng)的強(qiáng)度為Br，此時(shí)B發(fā)生的變化比H變化存在滯后性。即H為0時(shí)，B的值是Br， 此現(xiàn)象就是釹鐵硼磁鐵的磁滯特性，而Br為磁感應(yīng)的剩余強(qiáng)度。如果此時(shí)對(duì)外加的磁場(chǎng)方向?qū)嵤└淖儯抑饾u朝相反的方向進(jìn)行增大，B-H的關(guān)系就會(huì)按照?qǐng)D1內(nèi)曲線b a變化，并實(shí)現(xiàn)負(fù)向飽和，保持外加磁場(chǎng)方向不變，減少磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁鐵內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)減少， B-H的關(guān)系就會(huì)按照?qǐng)D1內(nèi)曲線 a b變化，后若再改變磁場(chǎng)方向，增加外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，此時(shí)磁鐵內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度再逐漸朝正值進(jìn)行增加，其B-H的關(guān)系就會(huì)按照曲線的bca發(fā)生變化。當(dāng)外加的磁場(chǎng)反復(fù)按照上述變化，則永磁體的材料就會(huì)發(fā)生循環(huán)的磁化，就能夠得到圖1所對(duì)應(yīng)磁滯回線。

當(dāng)釹鐵硼磁鐵置于退磁磁場(chǎng)中時(shí)，其退磁曲線如下圖2

已充磁永磁體承受磁場(chǎng)強(qiáng)度Hk退磁磁場(chǎng)時(shí)，其磁感應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)沿退磁曲線朝k發(fā)生位移，在移動(dòng)至k位置后，若對(duì)退磁磁場(chǎng)的強(qiáng)度減小或者消除，其磁感應(yīng)的強(qiáng)度會(huì)沿著kBr發(fā)生移動(dòng)。在釹鐵硼永磁材料基于高溫條件下，若退磁的磁場(chǎng)強(qiáng)度（Hp）較大的話，退磁的曲線就會(huì)發(fā)生拐點(diǎn)，而拐點(diǎn)以上位置永磁材料具有回復(fù)線和原退磁的曲線是重合的，但拐點(diǎn)以下位置回復(fù)線是比原退磁的曲線要低的。當(dāng)回復(fù)線上部剩磁比Br小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致釹鐵硼的永磁材料發(fā)生不可逆的退磁現(xiàn)象。而當(dāng)此種情況一旦發(fā)生，就會(huì)使壓縮機(jī)的整體效率出現(xiàn)下降，存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的隱患。

2.電機(jī)退磁有限元分析法概述

對(duì)于有限元分析法來(lái)說(shuō)，它將麥克斯韋的方程當(dāng)作基礎(chǔ)，進(jìn)而通過(guò)相應(yīng)仿真性軟件來(lái)實(shí)施相關(guān)模型的構(gòu)建，其中麥克斯韋的方程組為：

在上式內(nèi)，G是求解的區(qū)域，T1和T2分別是定子部分的邊界和永磁體的邊界，Js是傳導(dǎo)電流的密度，A是矢量的磁位，μ是磁導(dǎo)率，v1和v2是磁阻率，δc是永磁體的矯頑力，而n低永磁體的邊界處外法向的單位矢量值。

在有限元法中，把求解區(qū)域內(nèi)部件實(shí)施剖分處理，把一完整性區(qū)域?qū)嵤┒鄠€(gè)數(shù)量離散型小三角形類單元、節(jié)點(diǎn)的分劃，后于各單元中實(shí)施關(guān)于磁位矢量相關(guān)插值函數(shù)的構(gòu)建[2]。把條件變分的問(wèn)題實(shí)施離散化處理，就能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)變成關(guān)于多元函數(shù)內(nèi)求極值的情況，也就是將其變?yōu)楦鞴?jié)點(diǎn)位置磁位矢量有關(guān)代數(shù)的方程組形式，并對(duì)各節(jié)點(diǎn)位置磁位矢量具體數(shù)值實(shí)施求解。以有限元法，通過(guò)仿真建模的手段來(lái)對(duì)永磁體區(qū)域內(nèi)退磁情況實(shí)施研究。對(duì)永磁體的具體材料相關(guān)B-H的非線性曲線向模型內(nèi)實(shí)施輸入，并通過(guò)靜態(tài)磁場(chǎng)的理論實(shí)施反復(fù)迭代的計(jì)算處理。

3.電機(jī)退磁有限元模型的構(gòu)建和分析

3.1構(gòu)建有限元相關(guān)模型

在本案例研究中，研究的對(duì)象是7.5kW的壓縮機(jī)其永磁同步的電機(jī)，其詳細(xì)的信息如下表。按照電機(jī)的參數(shù)實(shí)際情況，依據(jù)有限元法實(shí)施相應(yīng)模型的構(gòu)建，并根據(jù)各部件內(nèi)材料情況對(duì)其材料實(shí)施屬性的賦予。

3.2對(duì)退磁評(píng)價(jià)的參數(shù)設(shè)置

在大量的研究中，通過(guò)仿真手段對(duì)永磁體實(shí)施退磁的評(píng)價(jià)法是比較多的，有退磁率的對(duì)比以及輸出轉(zhuǎn)矩的對(duì)比等法。因?yàn)樵陔姍C(jī)若在空載的狀態(tài)條件下，對(duì)反電動(dòng)勢(shì)實(shí)施實(shí)驗(yàn)測(cè)試較為簡(jiǎn)單，且測(cè)試具有很好的精度，同時(shí)對(duì)其反電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)數(shù)值降低的情況也較為直觀，因此在本文的分析中就以空載狀態(tài)條件下實(shí)施反電動(dòng)勢(shì)的對(duì)比測(cè)試。按照空載狀態(tài)反電動(dòng)勢(shì)的公式實(shí)施計(jì)算如下：

E0=4.44fKdpNΦδ0KΦ ? ? ? ? ? （2）

上式內(nèi)，f是電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率值，Kdp是繞組的系數(shù)，N是電機(jī)繞組的匝數(shù)，Φδ0是空載的主磁通，KΦ是氣隙磁通的波形系數(shù)值。按照上式（2）能夠得知，E0是和空載的主磁通Φδ0存在正比關(guān)系。在永磁體出現(xiàn)退磁情況后，則永磁體的工作點(diǎn)發(fā)生下降，而空載的主磁通 Φδ0發(fā)生下降，對(duì)空載的反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致E0發(fā)生下降。

為對(duì)退磁的大小實(shí)施有效對(duì)比，可把退磁后所得到反電動(dòng)勢(shì) （E'0 ）和退磁前所存在的反電動(dòng)勢(shì)（E0）實(shí)施比對(duì)處理，并將其通過(guò)退磁比例K進(jìn)行設(shè)定，也就是如下的公式計(jì)算：

K=（1-E'0 /E0）×100% ? ? ? （3）

在對(duì)退磁比例的系數(shù)K實(shí)施計(jì)算后，就能夠?qū)τ来朋w的平均退磁具體大小直觀了解。在有限元的求解分析中，其流程主要是開始、仿真步驟、空載狀態(tài)反電勢(shì)的仿真E0、轉(zhuǎn)速設(shè)為0、永磁體的溫度設(shè)為150℃、通過(guò)電壓源對(duì)兩相短路的電流I進(jìn)行通入、對(duì)永磁體的溫度設(shè)為20℃、空載狀態(tài)反電勢(shì)的仿真E'0 、對(duì)退磁的比例實(shí)施計(jì)算、繪制曲線。

對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)實(shí)施觀察和分析，對(duì)其實(shí)施仿真測(cè)試。將仿真的速度設(shè)置為1000r· min-1、溫度設(shè)施20℃、輸入電流是0時(shí)，在0-0.02t/s內(nèi)電機(jī)是空載狀態(tài)仿真且對(duì)電機(jī)線間的反電勢(shì)實(shí)施測(cè)試;當(dāng)溫度條件改成150℃后，且進(jìn)行短路電流的通入，電機(jī)是堵轉(zhuǎn)的狀態(tài);再次以電機(jī)空載的狀態(tài)條件下實(shí)施仿真，對(duì)其反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行測(cè)試，后對(duì)前后兩次所進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際降低比例實(shí)施對(duì)比，就能夠?qū)τ来朋w的退磁比例進(jìn)行計(jì)算[3]。

3.3對(duì)退磁的仿真結(jié)果進(jìn)行分析和討論

依據(jù)上述的分析，來(lái)對(duì)電機(jī)模型實(shí)施構(gòu)建并進(jìn)行仿真性計(jì)算，就能夠得到永磁體的退磁率相應(yīng)云圖。對(duì)電機(jī)內(nèi)進(jìn)行70A的電流接通，進(jìn)而在永磁體的兩端位置就會(huì)發(fā)生云圖的情況，因此這就說(shuō)明了永磁體的兩端位置存在不可逆性退磁的現(xiàn)象，且在永磁體的角上部位存在的退磁比為2%。在對(duì)電機(jī)依據(jù)不同大小的電流值接通操作后，得知其和退磁呈現(xiàn)相應(yīng)比例關(guān)系，如下表內(nèi)顯示的情況。

對(duì)于永磁電機(jī)的退磁來(lái)說(shuō)，不僅和電機(jī)的結(jié)構(gòu)、永磁體的牌號(hào)和定子繞組的匝數(shù)等存在關(guān)系，且還和退磁的電流幅值存在關(guān)聯(lián)，如下圖1所示，就是退磁電流和退磁比例的系數(shù)曲線情況。根據(jù)圖1能夠得知，在退磁的電流呈現(xiàn)出不斷增加的情況下，其永磁體的退磁面積和退磁的程度也隨其不斷增大，而在外加的退磁磁場(chǎng)比永磁體的拐點(diǎn)要大時(shí)，其退磁比例的系數(shù)也呈現(xiàn)不斷加大的趨勢(shì)。

4.仿真的退磁曲線和實(shí)測(cè)情況的對(duì)比

對(duì)仿真的計(jì)算正確性實(shí)施驗(yàn)證，來(lái)對(duì)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)退磁的比例進(jìn)行測(cè)試，得到下表3所示的情況。

根據(jù)上表內(nèi)的數(shù)據(jù)能夠得知，其仿真的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，能夠能較好達(dá)到設(shè)計(jì)初預(yù)判的效果，這樣就能夠?qū)﹄姍C(jī)的設(shè)計(jì)期間永磁體的厚度和永磁體的牌號(hào)選型提供良好的依據(jù)，則對(duì)電機(jī)退磁實(shí)施評(píng)價(jià)的周期實(shí)現(xiàn)有效縮短[4]。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)有限元法對(duì)壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)實(shí)施退磁分析仿真平臺(tái)的構(gòu)建，并對(duì)電機(jī)的退磁比例和退磁部位實(shí)施研究，且于7.5kW的壓縮機(jī)上實(shí)施實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證處理，得到仿真的退磁比例和實(shí)驗(yàn)退磁的比例具有吻合性，希望對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的仿真分析具有幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]王宗亮， 蔡巍. 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)電磁退磁性能研究[J]. 微電機(jī)， 2020（3）：15-19.

[2]胡余生， 曾學(xué)英， 陳彬. 熱配合下永磁同步電機(jī)的鐵損分析及優(yōu)化[J]. 微電機(jī)， 2016（12）.21-24，29.

[3]李權(quán)鋒， 陳彬， 肖勇. 壓縮機(jī)用交替極永磁同步電機(jī)關(guān)鍵尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 日用電器， 2019， 160（04）：50-55.

[4]陳洪萍， 王秀和. 復(fù)合轉(zhuǎn)子異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中永磁體退磁的研究[J]. 微電機(jī)， 2017， 50（001）：1-7.