磁钢生产：如何预防永磁电机退磁问题
引言：永磁电机故障有很多，不同类型的电机（无刷直流，自启动永磁同步，永磁同步）转子的故障也比较多。从根本上除了生产制造的问题，最多的问题还是来源转子磁钢的选型、设计、应用等造成的磁钢退磁，从而导致系统的故障（电流大 效率低 过温 堵转 停机 烧机等）。不同的电机类型虽然导致磁钢退磁的原因有很多，但是其逻辑都是一致的，分析方法也是相同的。本篇文章从永磁电机退磁机理、预防原因以及基于Maxwell软件的仿真三方面入手，为大家带来永磁电机退磁系列的第一篇文章。后面会继续从不同的电机类型以及不同的应用（工业电机 压缩机电机 高速电机 伺服电机）出发深入剖析下退磁的这点事。读者有个别的关于本话题的产品或者仿真问题也可以联系文末的小客技术的微信。
钕磁铁也称为NdFeB磁铁，由钕，铁和硼的合金组成的具有Nd2Fe14B四方晶结构的永磁体，其主要成分是稀土元素钕（Nd），铁（Fe）和硼（B）。其磁场强度是普通磁铁的十几倍，是迄今为止磁能积最高的永磁材料，被誉为“永磁王”。随着永磁电机的应用越来越广泛，随之而来的是对于永磁电机退磁问题的思考。电机退磁后会进入恶性循环，退磁导致反电动势降低，导致转矩系数降低，为了达到相同的转矩输出只能加大电流，进而导致电机温升增加，温升增加进一步引起退磁。
图 1 永磁体退磁
一、永磁电机退磁机理
永磁材料有两个显著特征，一是在外磁场作用下能被强烈磁化，另一个是磁滞，即撤走外磁场后材料仍保留磁化状态。外磁场的变化与永磁体磁性变化之间的关系可以用两条曲线来描述，即退磁曲线(B-H曲线)和内禀退磁曲线(J-H曲线)。
图 2 BH与JH曲线
而永磁体的退磁曲线与内禀退磁曲线之间是有数学关系约束的。式中μ为磁铁的磁导率，H为外加磁场强度，从公式可以看出，由于磁铁内禀退磁曲线存在拐点，而退磁曲线与内禀退磁曲线只相差线性的μH，因此退磁曲线也存在拐点。
永磁体内禀矫顽力及剩磁均会随温度升高而降低，如SH等级的钕铁硼永磁体的剩磁温度系数约为-0.1%/℃，内禀矫顽力温度系数约为-0.6%/℃。因此不同温度下，退磁曲线拐点可能在第三象限，也可能在第二象限。平时我们讨论的情况都是拐点处在第二象限的情况。如下图所示，N42SH永磁体在不同温度下的退磁曲线不同，当温度为20℃时，退磁曲线拐点位于第三象限，当温度为150℃时，退磁曲线拐点位于第二象限。
图 3 不同温度下磁铁退磁曲线
电机退磁指永磁体局部或整体在定子电流的作用下，工作在永磁体退磁曲线的拐点以下，当撤掉定子电流或定子电流变小时，永磁体不能按照原有的退磁曲线回复，而在拐点以下生成了一条新的回复线，该条曲线上的磁感应强度明显低于原有曲线，进而造成电机反电势降低，影响电机性能。
图 4 永磁体退磁曲线
如上图所示，当电机外加电流过大时，永磁体退磁曲线工作点由W点沿退磁曲线到P点，当去磁电流变小时，永磁体工作点在PR上移动。当加大退磁电流，工作点将由P走向Q，并且去掉退磁电流后，工作点在QS上运动，而QS上的磁密值要小于初始退磁曲线PB上的磁密值。而磁密的降低将导致电机运行电流加大，一方面增加铜耗，另一方面导致去磁磁场进一步加大。
二、永磁电机防退磁方法
影响永磁体材料磁性能稳定性的因素主要有：
牌号NMHSHUHEHAH
最高温度℃
80
100
120
150
180
200
220
受化学因素，如酸、碱、氧气、腐蚀性气体等影响，永磁体内部或表面化学结构发生变化，会引起磁性能变化，钕铁硼中的铁和钕就比较容易氧化。永磁体的防护一般包括电镀，如镀锌镀镍等。
在使用过程中，永磁体常处于外磁场中。当工作点在拐点以下时，将造成不可逆退磁。在电机短路冲击电流下，会产生巨大去磁磁场，在设计电机时使短路工作点在永磁体退磁工作点以上。饱和充磁后的永磁体在接触后可能导致磁性能变化，需要进行磁接触稳定处理。
在永磁电机设计过程中的防退磁设计主要从两个方面着手，一方面是降低转子温度，一方面是降低退磁磁场。
转子中布置的永磁体厚度设计是直接影响永磁体抗退磁能力的关键因素，永磁体过薄会降低成本，但是抗退磁能力弱，因此需要对永磁体形状进行仿真优化设计。此外，IPM结构的转子永磁体抗退磁能力强于SPM结构转子。
三、 故障倒逼问题及方法
永磁材料是永磁电机的关键原材料，在电机制造、试验和使用过程中，总会出现失磁问题，从实际的故障案例分析。
可以归结为以下几个方面的内容：
1.磁钢牌号选型不当
若电机设计时计算不够准确，错选了较低牌号，如本应选择180℃级的永磁体而错选为155℃级别，就有可能出现这样的情况：试验过程初始试验记录指标非常好，随着电机逐步趋向热稳定，电机的相关指标开始恶化，愈来愈偏离设计预期，有的到了某一时刻电流急剧增大、变频器迅速停机，并显示过流代码。再次测试电机的空载特性，表征电机已失磁，必须更换磁钢。
2.过热失磁问题
过热失磁是个比较敏感的话题，磁钢磁性能下降也会导致过电流而发生过热问题。如果排除磁钢磁性能的影响而只考虑热因素，可以确定有两种情况会出现过热失磁现象：第一、电机内循环通风路不合理，违背冷热传导自然规律，导致局部热集聚；第二、绕组热负荷过高，发热情况超过电机热交换系统的换热水平。
3.去磁电流过大问题
电机运行时，当负载电流的大小超过磁钢的抗去磁能力时，将引发磁钢发生不可逆退磁现象，进一步使负载电流加大，加重磁钢不可逆退磁现象，如此往复推波助浪，雪崩般加速不可逆退磁直至失磁。
四、如何识别电机退磁
当然了分析的标准要在实测反电势和设计反电势在合理的偏差之内。在确保实测的反电势正确的情况下再做进一步的分析。
五、永磁电机退磁仿真
本文在模拟永磁电机退磁时，建立两个模型，模型名称分别为demag与demag1，其中demag用来仿真电机非退磁情况下的反电势输出。而demag1模型中我们加入d轴电流，然后去掉电流后观测反电动势输出。本文采用的仿真模型依然使用pruis电机模型。
图 5 仿真模型
仿真过程中我们用到了maxwell软件中的if函数功能，if函数的格式如下：
if（a,b,c）
if函数中，当a成立时则执行b，否则执行c，归结到本文中，if函数为：
phaseA的电流为if(time
函数表示，当时间小于5ms时，我们给定一个Idemag*1.414*sin(2*pi*200*time)的电流激励，当时间大于5ms时，电流为0.A相电流如下图所示。
图 6 A相电流
仿真过程中我们还用到了高温下的磁铁退磁曲线，我们选择的是150℃下的N42SH永磁体，退磁曲线如下图所示，磁铁的拐点大概出现在0.4T处。
图 7 150℃下N42SH退磁曲线
关键的，我们还要设定计算退磁，勾选compute demagnetized operating points。
图 8 勾选计算退磁
我们对电机的电流进行了设定，但是为了验证最严重情况下的退磁，我们要让电流为d轴去磁电流，所以我们设定了初始角度，为了让电流为d轴去磁电流。
图 9 初始角度设定
为了验证我们给定的是d轴去磁电流，而不是增磁电流，我们对磁力线进行了观测。可以看出，磁力线从永磁体的侧面拐了过去，造成了去磁效果。
图 10 去磁磁力线
退磁仿真反电动势对比如下图所示，其中绿色线为退磁前反电动势，红色线为退磁后反电动势。退磁前反电动势有效值为57V，退磁后反电动势为29V。
图 11 退磁前后反电动势对比六、总结
本文从多个角度对电机退磁进行了分析，主要有以下几点：
对永磁电机退磁原理进行了细致的剖析；对永磁电机防退磁方法进行了分析；从软件仿真入手，对永磁电机退磁方法进行了介绍。