钕铁硼永磁材料在过热失磁条件下的磁滞损耗测试与分析

以钕铁硼为代表的稀土类永磁材料因其磁性能好、价格低、力学性能好等特点广泛应用于永磁电机,电机中的谐波磁场又会使永磁体产生损耗,严重时会导致永磁体过热失磁,影响到电机的稳定运行。通过设计的永磁综合磁特性测试装置定量施加交流磁场,发现在低频下,饱和充磁的钕铁硼会出现明显的磁滞现象。对钕铁硼材料在过热失磁条件下进行了磁滞损耗的定量测试与磁特性分析,发现过热失磁的钕铁硼会产生明显的磁滞损耗。测试结果表明：永磁体在高温状态下长时间运行时会逐渐失去磁性,永磁体的磁滞损耗会逐渐增加,甚至在一定条件下磁滞损耗会高于涡流损耗。这说明永磁体的磁滞损耗会加速永磁体的失效,而且在某些情况下是失磁的主要原因。     

电动汽车用永磁电机的失磁空间分布特性及影响因素

电动汽车用永磁电机普遍使用的高性能钕铁硼永磁材料在高温、强磁场等条件作用下易发生的不可逆失磁故障已成为该类电机高可靠性设计的主要瓶颈。针对电动汽车用永磁电机的失磁问题,该文利用永磁体虚拟分块方法,建立基于永磁体磁特性参数、工作温度、空间位置等变量的永磁体失磁分析模型;利用电磁场和温度场双向耦合的三维多物理场计算方法,研究了永磁电机失磁的空间分布特性及其影响因素。结果表明,永磁电机失磁空间分布存在明显的不均匀性。永磁体失磁分布规律受其工作温度、退磁电流幅值与角度等因素影响。最后,通过一台115 kW的永磁驱动电机样机在永磁体工作温度、转子表磁磁场分布、电机性能方面的测试,验证了该文所提分析方法和结论的准确性。     

谐波磁场下永磁体涡流损耗测试与分析

针对永磁电机的时间谐波和空间谐波引起电机中永磁体涡流损耗增加的问题,本文搭建了永磁体谐波磁特性测试系统.分析了基波叠加不同谐波次数、含量和相角之后磁通密度B的波形变化规律,测量了钕铁硼(NdFeB)永磁体在不同谐波激励下的动态磁滞回线,研究了谐波次数、含量和相角三个因素对钕铁硼涡流损耗的影响,并对比了钕铁硼、钐钴(Sm2Co17)、铝镍钴(AlNiCo)三种永磁材料在谐波磁场下的磁特性.结果证明谐波次数和含量对永磁体涡流损耗具有较大影响,谐波相角对永磁体涡流损耗无明显影响.研究结果对永磁电机的电磁优化和设计具有重要的参考价值.     

永磁记忆电机调磁控制系统的设计及实验测试

基于永磁材料磁滞特性，研制了一套适用于永磁记忆电机的永磁体调磁控制系统。分析了永磁体的调磁特性，针对永磁体调磁所需的瞬时强磁场特点，设计和制作了永磁体调磁控制系统的硬件电路。通过搭建软件仿真和硬件测试平台，完成永磁记忆电机内永磁体调磁控制的实验测试和分析。实验结果表明，该永磁记忆电机调磁控制系统具有实时性、精准性和有效性的特点。     

表贴式高速永磁同步电机失磁故障及磁体选区渗重稀土研究

针对表贴式高速永磁同步电机永磁体在受到高温、强退磁磁场等因素影响易产生局部不可逆失磁故障问题,本文基于有限元分析方法,分别建立了一台24 kW表贴式高速永磁同步电机的二维和三维仿真计算模型,在计及该电机在各类不同的退磁因素作用下,确定了电机磁体发生局部不可逆失磁故障的位置,并预测了磁体的进一步失磁扩散趋势。对比了电机在有无失磁故障情况下的空载气隙磁密和反电动势,并研究磁体不可逆失磁故障对电机运行的影响。由于永磁体易在部分区域发生不可逆失磁,故本文将磁体材料更换为较低牌号,并运用选区渗重稀土技术改善易失磁区域材料特性来提升磁体整体抗失磁能力。在此基础上,探究了更为合理的重稀土渗入区域及渗入梯度,从而保证在不失电机性能的前提下,实现了重稀土元素的极限应用,为表贴式永磁电机磁体选区渗重稀土技术提供了参考。     

复合结构混合永磁电机抗退磁性能分析及优化

针对传统稀土永磁电机的稀土永磁材料用量高的问题,本文提出一种由钕铁硼和铁氧体混合永磁的交替极加局部Halbach结构的少稀土永磁同步电机,分析了该复合结构混合永磁电机的结构特点。比较分析了该电机与传统一字型钕铁硼稀土永磁电机的电磁性能,并依据退磁特性建立了该电机的局部退磁有限元模型,通过磁路耦合联合仿真对电机多运行工况进行了仿真,针对高速弱磁和变载运行工况下电机局部退磁的性能损耗,以提高永磁体工作点和降低退磁率为优化目标,给出了该电机的抗退磁优化设计方案。仿真结果验证了所提电机结构的合理性,电机抗退磁性能较优化前提升了10.3%。     

基于模糊神经网络的永磁同步发电机失磁故障程度诊断

针对永磁发电机永磁体正常和失磁故障运行状态,提出了利用模糊处理和BP神经网络相结合的方法对其正常和失磁故障程度进行判断。该方法以永磁发电机铁心损耗、定子涡流损耗、附加损耗、磁滞损耗、永磁体涡流损耗和绞线铜耗等6种损耗为研究对象,利用模糊处理将永磁发电机永磁体运行状态归为正常、轻微失磁、中等失磁和严重失磁等4种,运用神经网络对永磁发电机永磁体的运行状态进行了诊断,其算例结果表明该方法的诊断结果与仿真设定的永磁体运行状态相一致,说明了该方法可以有效地对永磁发电机失磁故障程度进行准确的判断。     

异步起动永磁同步电机非正常工况退磁分析

为了研究异步起动永磁同步电机非正常工况运行时的退磁磁场对永磁体的影响,通过建立有限元模型,计算分析了包括三相突然短路、缺相运行、过载运行、降电压运行、失步运行和堵转运行6种常见非正常工况运行时定子电流、转速和永磁体工作点磁密的变化。结果表明,起动过程电流均大于非正常工况运行时的冲击电流,直接影响了作用在永磁体上的去磁磁动势,定、转子合成磁动势作用在永磁体上,将使得永磁体工作点磁密最小,退磁风险最大。当电机在同步状态运行时,永磁体工作点磁密为恒定的值;当电机在失步状态运行时,转子导条产生感应电流,定子电流和转子导条电流产生的合成磁场使永磁体工作点磁密做周期性波动。     

永磁同步电机永磁体状况在线监测

提出一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。通过选择磁场同步旋转坐标系下定子电流和永磁体磁链为状态变量，构建估算转子永磁体磁链幅值和方向的卡尔曼滤波器。该方法能准确跟踪永磁体真实状况，对电机参数不敏感，鲁棒性强。基于动态估算的电机永磁体磁链，可为永磁同步电机控制系统实时提供准确的转子磁链信息，提高系统控制性能和效率。同时，基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度，提高系统可靠性。实验结果验证了方法的正确性和有效性。     

自起动永磁同步电动机非正常运行工况下退磁磁场分析

为了研究自起动永磁同步电机非正常运行工况下的退磁磁场对永磁体的影响,建立了计及不可逆退磁的自起动永磁同步电动机时步有限元模型,计算分析了包括失步、三相短路和重合闸3种非正常运行工况,得到3种工况下永磁体各单元不可逆退磁情况。结果表明过大负载导致永磁电机失步振荡,相对转子旋转的定子磁场造成永磁体单元的计算矫顽力下降,产生不可逆退磁;三相短路导致永磁电机停转,停转过程中短路去磁电流产生的退磁磁场使得永磁体磁密降低,且负载系数越小,永磁体受退磁磁场作用时间越长,越容易发生不可逆退磁;重合闸存在过渡过程,且过渡过程持续时间和暂态冲击电流大小受重合闸时刻开关两端电压差的幅值影响,电压差越大,则冲击电流越大,且过渡过程持续时间越长,永磁体经历退磁磁场时间越长,不可逆退磁越严重。     

Measurement and analysis of AC loss of NdFeB sintered magnet

NdFeB sintered magnets are widely used in rotating machines. As the conductivity of NdFeB sintered magnets is fairly high compared with that of ferrite magnets, the eddy current loss due to slot ripple, etc., cannot be neglected. If the eddy current loss of permanent magnets becomes large, the temperature of the permanent magnet becomes high and the thermal demagnetization becomes serious. Therefore, it is required to evaluate AC loss of the permanent magnet. But the measurement of AC loss of the permanent magnet under serious operating conditions has not yet been reported. In this paper, the AC loss of NdFeB sintered magnet was measured using a newly developed closed‐type measuring equipment. It is shown that the coaxial double coil is useful for accurate measurement of the magnetic field. The eddy current loss and hysteresis loss of the permanent magnet are obtained by the loss separation. It is illustrated that the hysteresis loss is larger than the eddy current loss in the range of less than several hundred hertz. The appropriateness of measurement is verified by the numerical analysis. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 154(4): 8–15, 2006; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20213     

内置式永磁同步电机磁体涡流损耗研究

采用气隙磁位分布函数作为边界条件取代定子磁场,建立计及磁路饱和及齿槽效应影响的永磁同步电机磁体涡流损耗计算的二维有限元模型。对内置式钕铁硼永磁同步电机各次谐波磁场引起的永磁体涡流损耗进行分析计算。结果显示:磁路饱和对涡流损耗的影响很大,各次谐波中具有一阶齿谐波特征次数的谐波磁场是引起永磁体涡流损耗的主要因素。     

Performance Assessment of High-speed Flux-switching Permanent Magnet Machine Using Ferrite and Rare Earth Permanent Magnet Materials

This article presents the investigation and comparison of the capabilities and characteristics of high-speed flux-switching permanent magnet machines using ferrite and rare earth permanent magnet materials. Special design considerations for ferrite flux-switching permanent magnet machines under high-speed operation are proposed. Two ferrite and one NdFeB flux-switching permanent magnet machines, rated at 10 kW and 15 krpm, were designed for performance assessment. Various machine performances, including torque characteristics and loss distribution, are compared. In addition, the risk of partial demagnetization and the performance degradation due to partial demagnetization are also investigated. This research reveals several promising characteristics of the ferrite flux-switching permanent magnet machine, such as lower total loss, negligible magnet eddy current loss, and better cooling potential. The results also show the possibility of designing a high torque density ferrite flux-switching permanent magnet machine, which is comparable to the NdFeB flux-switching permanent magnet machine, taking advantage of the flux concentrating effect.     

分数槽集中绕组表贴式永磁同步电机转子损耗

针对损耗模型很难准确地计算转子损耗且三维有限元方法占用大量时间的问题,基于二维运动瞬态有限元法,研究了1台36槽42极单层分数槽集中绕组永磁同步电机在恒转矩区和弱磁区以最大转矩运行时的转子损耗,并且研究了高速工况下永磁体轴向分段数量、槽口宽度以及气隙厚度对永磁体损耗的影响。研究发现,在整个转速区间永磁体损耗占转子总损耗的90%以上;转速低于1 500 r/min时,转子铁心磁滞损耗高于涡流损耗,高于1 500 r/min时涡流损耗明显高于磁滞损耗。永磁体分段能明显降低永磁体涡流损耗;负载工况下改变槽口宽度,永磁体涡流损耗几乎没有变化;增大气隙厚度虽然能降低永磁体损耗,但是效果并不明显;同时,更改槽口和气隙厚度会使电感发生变化,并进而影响电机的运行性能。     

NdFeB永磁汽车起动电机分析

NdFeB水磁汽车起动电机是一种很有发展前途的新型电机.本文论述了该种电机在设计过程中其永久磁钢尺寸、电机极数的选择原则,阐述了其不同于普通电机的特殊制造工艺,并将该种电机与传统的励磁式起动机性能进行了对比.作为说明,最后举出了两个NdFeB起动电机实例.     

混合动力汽车ISG用混合永磁同步电机转子研究

设计了一款混合动力汽车集成式起动发电机(ISG),用钕铁硼和铁氧体混合永磁的永磁同步电机(PMSM)。分析了两种永磁体的结构参数对电机磁路的影响规律,推导了钕铁硼和铁氧体并联磁路的约束条件;以铁氧体的不可逆退磁量和电机的基本性能为优化目标,通过场-路结合的方法,确定了钕铁硼和铁氧体的结构参数;并与传统的钕铁硼PMSM在电机性能和永磁体成本等方面进行了比较分析。研究结果表明,所提出的ISG混合永磁电机能有效地减少永磁体材料成本和铁氧体退磁风险,电机性能达到了设计要求。     

直流偏磁情况下的定子永磁电机铁耗计算

提出了一种直流偏磁情况下的定子永磁电机铁耗计算方法。由于电机的特殊型结构以及逆变器供电等原因,定子永磁电机内部会存在直流偏磁现象。为此,首先使用爱泼斯坦方圈在不同交流磁密幅值情况下,进行了偏磁实验研究。基于实验数据以及传统偏磁铁耗模型,提出了一种考虑磁密幅值的偏磁铁耗计算模型。该模型能够较好地描述不同磁密幅值情况下直流偏磁对铁耗的影响。最后将该模型应用于电机铁耗计算,并与传统模型进行对比;电机损耗实验结果验证了该模型的可信度。     

基于槽极比选择的切向永磁同步电机永磁体涡流损耗抑制措施

为抑制切向永磁同步电机的永磁体涡流损耗,基于麦克斯韦方程和本构方程,对永磁体形状进行近似假设,构建了永磁体涡流损耗的估算模型。使用一种基于卡特系数概念的磁导函数来估算由于定子开槽引起的槽下磁感应强度变化。基于五台槽极比分别为1.05、1.20、1.30、2.40和3.60的电机设计方案对理论分析结论进行了验证。在负载电流和两倍负载电流下,分析永磁体损耗,得到了每台电机的径向气隙磁密曲线及其谐波含量。考虑到增加槽极比对定子铁耗和永磁体涡流损耗的削弱效果,给出了电机槽极比选择策略。研究结果表明,增加槽极比能减弱定子槽下磁感应强度变化,从而抑制气隙磁场中低次谐波含量,减小永磁体涡流损耗,使电机运行更加可靠,但也会引入更多高次谐波,从而增加定子铁耗。     

一种新型的电动车辆用复合式永磁无刷直流电机

提出了一种新型的多相复合式永磁无刷直流电机。该电机采用表面插入式转子磁极结构。其特点在于,电机的气隙磁通是由永磁励磁和处于永磁磁极下的定子电流的电励磁共同产生,因此具有永磁无刷电机和串励直流电机的复合特性,特别适用于电动车辆。文中着重介绍电机的独特结构和运行原理,用有限元方法对磁场分布和静态特性进行分析计算,对一台五相样机进行了测试,以验证理论分析。