首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 电力工业论文 > 电机论文 > 永磁同步电机在纯电轻卡驱动系统中的退磁原因及解决方法

永磁同步电机在纯电轻卡驱动系统中的退磁原因及解决方法

2024-10-23 10 上传者：管理员

摘要：文章针对纯电轻卡驱动系统中永磁同步电机(PMSM)的退磁问题，进行了系统性的分析和研究。从温度、电流、外部磁场和永磁材料等方面，分析了PMSM退磁的原因和影响，并用示意图进行了说明；提出了温度控制、电流限制、屏蔽外部磁场、选用高质量永磁材料、合理设计电机结构、定期检查和维护等一套完整的解决和预防PMSM退磁的方法，并用数学公式进行了理论分析。在此基础上，利用仿真软件对PMSM的退磁问题进行了验证。结果表明，文章提出的方法可以有效地提高PMSM的抗退磁能力和可靠性，对于纯电轻卡驱动系统的优化设计和运行维护具有一定的参考价值。

关键词：
永磁同步电机
电池
纯电轻卡
退磁原因
驱动系统
加入收藏

纯电轻卡是一种利用电池作为动力源，通过电机驱动轮胎运行的载重型车辆，具有节能、环保、低噪音等优点[1]。随着新能源汽车技术的发展和政策的支持，纯电轻卡在我国市场上得到了快速的推广和应用[2]。然而，纯电轻卡作为一种重载运输工具，在复杂的道路条件下运行，对驱动系统提出了较高的要求[3]。

永磁同步电机(PMSM)是一种利用永久磁铁产生稳定磁场的同步电机，具有体积小、重量轻、效率高、转矩大、噪音低、散热好等优点[4]，其典型内部结构图如图1所示。PMSM在新能源汽车领域得到了广泛的应用，尤其是在纯电轻卡等载重型车辆中，PMSM作为驱动系统的核心部件，直接影响着车辆的动力性能、经济性和安全性[5]。

图1永磁同步电机典型内部结构图

然而，PMSM在运行过程中也存在一些问题，其中最严重的就是退磁现象。退磁是指永久磁铁在受到某些因素影响后，其剩余磁化强度降低或消失的过程[6]。退磁会导致PMSM的反电动势降低，进而影响其转速、转矩和效率等性能参数[7]。严重时，退磁还会造成PMSM的过流、过温、失步等故障[8]，甚至损坏电机。因此，分析和解决PMSM的退磁问题对于保证纯电轻卡驱动系统的正常运行和延长寿命具有重要意义[9-10]。本文旨在探讨PMSM退磁的原因、解决方法和预防措施，并通过数学公式和仿真软件进行理论分析和验证。

1、驱动电机系统退磁原因分析

本节从温度过高、电流过大、外部磁场干扰和永磁材料质量等方面，分析了PMSM退磁的原因和机理。

1.1温度过高

永磁同步电机在长时间高负载运行时，可能会导致温度过高。当电机温度超过永磁材料的临界温度时，永磁材料的磁性会减弱甚至完全消失，导致电机退磁。临界温度又称为居里温度(Curie temperature)，是指永磁材料在该温度以下具有铁磁性，在该温度以上失去铁磁性的温度点。不同的永磁材料有不同的临界温度，一般来说，铁氧体(Ferrite)的临界温度约为460℃；钕铁硼(NdFeB)的临界温度约为310℃；钐钴(SmCo)的临界温度约为750℃。

1.2电流过大

过大的电流会使永磁材料饱和，超过其磁化极限，从而导致电机退磁。当电流超过一定值时，永久磁铁产生的稳定磁场会被绕组产生的交变磁场抵消或反向作用，使得永久磁铁的剩余磁化强度降低或改变方向。这种情况通常发生在电机启动、制动、过载等工况下。

1.3外部磁场干扰

外部磁场干扰也是永磁同步电机退磁的一个常见原因。当电机暴露在强磁场环境中，外部磁场可能会干扰电机的磁场分布，导致电机退磁。外部磁场的来源可能有多种，如高压线、变压器、发电机、电焊机等。

1.4其他原因

除了上述三种主要原因外，还有一些其他因素可能导致永磁同步电机退磁。

1)永久磁铁的老化：

永久磁铁在长期使用后，会因为时间、温度、湿度等因素而逐渐失去一部分的磁性。

2)永久磁铁的损伤：

永久磁铁在安装、运输、维修等过程中，可能会因为撞击、划伤、断裂等原因而损伤其表面或内部结构，导致其剩余磁化强度降低。

3)永久磁铁的脱落：

永久磁铁在电机转子上一般是通过胶水或机械夹紧等方式固定的，如果这些固定方式失效或松动，可能会导致永久磁铁脱落或移位，影响电机的磁场分布。

2、驱动电机系统退磁相应的解决方法

本节针对PMSM退磁的原因，提出了相应的解决方法，并利用数学公式进行了理论分析，退磁解决方法如图2所示。

图2退磁解决方法

2.1温度控制

为了避免PMSM退磁，需要合理控制电机的工作温度。可以通过增加散热器、提高通风效果等方式降低电机的温度，并避免长时间高负载运行。温度控制的目标是使得电机温度不超过永久磁铁的临界温度。

温度控制的原理可以用以下公式表示：

Tm≤Tc(1)

其中，Tm是电机温度，Tc是永久磁铁的临界温度。

温度控制的效果可以用以下公式表示：

B'r=B'r0(1−α(Tm−T0)) (2)

其中，B'r是永久磁铁在电机温度下的剩余磁化强度，B'r0是永久磁铁在参考温度下(一般为20℃)的剩余磁化强度，α是永久磁铁的温度系数，T0是参考温度。

可以看出，当电机温度不超过临界温度时，永久磁铁的剩余磁化强度只会轻微降低，不会造成退磁。

2.2电流限制

合理控制电机的工作电流，确保电流不超过永久磁铁的饱和电流。可以通过控制电机的供电电压、调整电机的负载等方式来实现。电流限制的目标是使得电机电流不超过永久磁铁的饱和电流。

电流限制的原理可以用以下公式表示：

Im≤Is(3)

其中，Im是电机电流，Is是永久磁铁的饱和电流。

电流限制的效果可以用以下公式表示：

B"r=B"r0(1-βIm) (4)

其中，B"r是永久磁铁在电机电流下的剩余磁化强度，B"r0是永久磁铁在无电流下的剩余磁化强度，β是永久磁铁的电流系数。

可以看出，当电机电流不超过饱和电流时，永久磁铁的剩余磁化强度只会轻微降低，不会造成退磁。

2.3屏蔽外部磁场

对于受外部磁场干扰的情况，可以采取屏蔽措施，如在电机周围设置磁屏蔽罩，阻挡外部磁场对电机的影响。磁屏蔽罩是一种利用高导磁材料制成的封闭或半封闭的结构，可以吸收或反射外部磁场，从而减小或消除其对内部空间的影响。磁屏蔽罩的材料选择、厚度、形状等因素都会影响其屏蔽效果。

屏蔽外部磁场的原理可以用以下公式表示：

B'"r=B'"r0-Be(5)

其中，B'"r是永久磁铁在外部磁场下的剩余磁化强度，B'"r0是永久磁铁在无外部磁场下的剩余磁化强度，Be是外部磁场的磁感应强度。

屏蔽外部磁场的效果可以用以下公式表示：

Br=Br0-kBe(6)

其中，k是屏蔽系数，表示屏蔽罩对外部磁场的衰减比例，一般在0到1之间。当k=0时，表示屏蔽罩完全屏蔽了外部磁场；当k=1时，表示屏蔽罩没有屏蔽效果。

可以看出，当屏蔽罩具有一定的屏蔽系数时，永久磁铁的剩余磁化强度会比无屏蔽罩时高，不会造成退磁。

3、驱动电机系统退磁相应的预防措施

本节提出了预防PMSM退磁的措施，并通过仿真软件验证其有效性，退磁相应的预防措施总体方案如图3所示。

图3退磁相应的预防方案

3.1选用高质量永磁材料

选用高质量的永磁材料，可以提高电机的耐高温和抗退磁能力。高质量的永磁材料具有高的剩余磁化强度、高的临界温度、高的饱和电流、低的温度系数和电流系数。目前，常用于PMSM的永磁材料主要有三种：铁氧体(Ferrite)、钕铁硼(NdFeB)和钐钴(SmCo)。其中，钕铁硼具有最高的剩余磁化强度和饱和电流，但临界温度较低；钐钴具有最高的临界温度及最低的温度系数和电流系数，但剩余磁化强度和饱和电流较低；铁氧体具有最低的剩余磁化强度和饱和电流，但成本较低。

公式：

Br=Br0(1-α(Tm-T0)-βIm) (7)

Br≥Brs(8)

3.2合理设计电机结构

设计电机结构时考虑散热和通风，以控制高负载运行时的温度：1)短磁路，减少磁阻和铁损；2)增大散热面积；3)畅通通风通道；4)平滑转子槽型，减少涡流损耗；5)均匀绕组方式，减少温升和铜损；6)合理排列永久磁铁，增强相互作用。

3.3定期检查和维护

定期检查和维护PMSM，包括清洁电机、检查连接部件、测量温度和电流。增加检查频率的情况：1)长时间高负载运行；2)暴露在恶劣环境中；3)发生故障或异常。

检查流程：1)断电，卸下转子；2)清洁定子表面，检查绕组；3)清洁转子表面，检查永久磁铁；4)安装转子，连接电源；5)测量温度和电流。

3.4其他预防措施

针对永久磁铁老化、损伤和脱落，提出以下措施：1)选择高性能永久磁铁材料；2)优化磁铁固定方式；3)加强磁铁保护。

3.5验证结果

为了验证本章提出的预防措施的有效性，本文采用了一款专业的PMSM仿真软件，对永磁材料、电机结构、检查和维护频率等因素进行了仿真实验。仿真实验的目标是比较不同情况下PMSM的退磁率，即永久磁铁的剩余磁化强度与初始磁化强度的比值。退磁率越高，表示PMSM的抗退磁能力越强。验证结果如表1、表2、表3所示。

表1不同永久磁铁材料下PMSM的退磁率变化

选用高质量永磁材料、合理设计电机结构和高频率检查维护能有效提高PMSM的抗退磁能力和可靠性。

4、总结与展望

本文研究了纯电轻卡驱动系统中永磁同步电机(PMSM)的退磁问题。

4.1主要内容和结论

1)分析了PMSM退磁的原因和影响，并通过数据图表说明。

2)提出了预防和解决PMSM退磁的方法，并用数学公式进行了理论分析。

3)利用仿真软件验证了所提方法，结果表明其有效。

4)提出了预防措施，并通过仿真实验证明了有效性。

4.2创新点和贡献

1)系统性地分析和研究了PMSM退磁问题。

2)提出了一套完整的解决和预防方法，为驱动系统的优化设计和维护提供了技术支持。

3)利用数学公式和仿真软件进行了理论分析和验证，证明了方法的有效性和可行性。

4.3局限性和不足

1)未涉及PMSM退磁的故障诊断和处理。

2)仅采用仿真验证，缺乏实际试验验证。

3)仅研究了基于PMSM的纯电轻卡驱动系统，未考虑其他类型的新能源汽车驱动系统。

4.4改进方向和建议

1)在理论和仿真验证基础上开展实际试验，提高方法的准确性和可信度。

2)拓展研究范围至其他类型的新能源汽车驱动系统，提高方法的普适性。

3)探索PMSM退磁故障诊断和处理方法，提升驱动系统的安全性和稳定性。

参考文献:

[1]洪吉超,梁峰伟,杨京松,等.新能源汽车产业及其技术发展现状与展望[J].科技导报,2023,41(5):49-59.

[2]刘祥武.我国新能源汽车技术发展现状及对策研究[J].运输经理世界,2024(2):137-139.

[3]曲亚飞,毛红生.新能源汽车电驱动系统关键技术及其发展趋势[J].时代汽车,2023(15):80-82.

[4]徐政,张建忠,姜永将,等.基于高频信号注入的永磁同步电机局部退磁故障诊断研究[J/OL].中国电机工程学报:1-10[2024-08-25].

[5]张鹏博,陈仁祥,邵毅明,等.纯电动汽车电驱动系统故障诊断研究进展[J].汽车工程,2024,46(1):61-74.

[6]徐向阳,赵俊玮,董鹏,等.双碳目标下商用车动力传动系统技术特征与展望[J].汽车安全与节能学报,2023,14(4):395-412.

[7]刘曜.永磁同步电机永磁体退磁机理与抗局部退磁优化研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2024.

[8]王超宇.永磁同步电机退磁故障研究[D].徐州:中国矿业大学,2024.

[9]伏结盛.电动汽车用双层永磁体永磁同步电机的设计与研究[D].赣州:江西理工大学,2023.

[10]汪海婷.永磁同步电机退磁特性与控制研究[D].北京:北京交通大学,2023.

文章来源:张永斌.永磁同步电机在纯电轻卡驱动系统中的退磁原因及解决方法[J].南方农机,2024,55(20):136-139.

网友评论

加载更多

我要评论

期刊名称：南方农机

期刊人气：852

期刊详情

主管单位：江西省农业农村厅

主办单位：江西省农业机械研究所

出版地方：江西

专业分类：农业

国际刊号：1672-3872

国内刊号：36-1239/TH

邮发代号：44-110

创刊时间：1970年

发行周期：半月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：4-6个月

论文导航

永磁同步电机在纯电轻卡驱动系统中的退磁原因及解决方法

相关论文

基于OBE理念的电机调速课程设计教学改革

关键词