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6up关于永磁同步电机转子磁钢退磁问题分析

发布时间: 2021-01-18 13:46

  鉴于前期测试伺服电机及客户现场也有出现过伺服电机转子磁钢退磁的情况,经查阅相关资料并结合实验数据,对永磁体退磁原因进行如下分析。

  永磁同步电机具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度、高调速范围等优点,现已广泛用于军事、工业、农业等各个领域,特别是伺服行业,几乎都是使用永磁同步电机作为执行机构。但是由于永磁体的热稳定性不良、设计经验不足以及使用不当等原因,会造成在使用过程中磁钢出现不可逆退磁。磁钢退磁,会使电机的性能下降,甚至无法使用。所以本文旨在从永磁材料、电机设计、电机使用等方面分析永磁体退磁原因,以供后续参考。

  1、永磁体的工作点及回复线、永磁体的退磁曲线为直线时(图一),k点为退磁曲线的拐点,当电机带载工作点在k点之上是,卸载后磁钢剩磁会沿着直线Brk回到Br点,当电机带载工作点在k点之下,如P点,此时卸载后磁钢剩磁会沿着直线RP回到R点,此时已造成不可逆退磁。

  1.2、永磁体的退磁曲线为曲线时(图二),当电机带载后,工作点为A1,卸载后,回复线S作为回复线,6up,此时如果电机带载工作点不超过A1,则以A1A2R作为回复线,一旦带载工作点超过A1,假如到了A3点,则会以A3A4P作为回复线,长此下去,不可逆退磁将会越来越严重。

  温度的变化会引起磁钢性能的变化,特别是钕铁硼永磁体,它对温度很敏感(图三),当温度超过一定值,材料磁性能将沿着曲线逐渐降低,当温度恢复后,它的剩磁将会沿着曲线进行恢复,造成不可逆退磁。而从图四可以看出,常温下,钕铁硼永磁体的退磁曲线为一条直线,没有拐点,当温度上升时,永磁体的退磁曲线出现拐点且拐点值随着温度的上升而变得越来越大,最低工作点也将越来越高。

  对永磁材料而言, 随时间的磁通损失与所经历时间的对数基本上成线性关系,因此, 电机磁钢是有使用寿命的, 电机使用一定的年限之后, 磁钢的磁性能也会下降。然而目前还没有见到钕铁硼永磁体因为时效而退磁,因为钕铁硼永磁材料磁性能随时间的变化很小。

  电机实际使用中造成永磁体退磁的原因往往是几种退磁机理共同作用引起的,比如一台电机过载的同时,温度也会急剧上升,在两种机理的共同作用下,会更容易出现不可逆退磁。所以综合起来引起钕铁硼永磁电机磁钢失磁原因集中在以下几个方面。

  我们目前使用的伺服电机均是采用钕铁硼永磁体,钕铁硼永磁体具有高剩磁、高内禀矫顽力等优势,是目前磁性能最高的永磁材料,并且钕在稀土中的含量很高,铁、硼价格便宜,又不含战略物资钴。但是钕铁硼永磁材料的不足之处是热稳定性差,我们使用的磁钢牌号为N38SH的钕铁硼永磁体耐温为150℃,只要温度超过150℃,将会造成不可逆退磁,此外钕铁硼永磁体含有大量的铁、钕金属材料,表面易氧化,一般会有环氧树脂涂层或者是电泳、电镀涂层,如果涂层工艺不合格,使用过程中也会因为永磁体局部氧化而造成退磁。

  如果电机设计时没有充分了解电机使用工况,使得实际工作点在退磁曲线拐点以下,那么在使用过程中将会出现不可逆退磁,此外通常设计时计算的工作点往往是永磁体的平均工作点,而由于永磁体材料局部的差异,还必须计算出永磁体的最大退磁工作点。并且,电机设计时还要充分考虑电机内部温升是否在105K以内,如果超出此范围,也将引起不可逆退磁。

  电机使用的环境恶劣,特别是高温或在机械剧烈震动的情况下,可能会使电机磁钢退磁;此外,电机长时间过载情况下也会使电机由于温度过高而发生不可逆退磁。

  前期实验中,一台电机SMM18-3Y4R4-U1NH5发生退磁,当时实验时先带额定负载做了温升实验,电机表面温度稳定后为108℃,此后进行T-I曲线测试,在瞬间三倍过载下,输出扭矩正常,也就是说该电机在三倍过载的情况下,电机的工作点还在退磁曲线拐点之上,并不会发生不可逆退磁。然后进行过载实验,目的是验证电机在我司驱动器的电机过载曲线下是否能正常工作。

  当电机过载倍数为1.5倍时,电机电流随时间的推移迅速增大,说明扭矩系数在迅速降低,电机正在退磁,当时电机表面温度为120℃,随即断电,待电机恢复到常温后测试其反电势,发现反电势降低了13.7%,电机发生不可逆退磁,且退磁比例达到13.7%。经分析,该电机退磁的主要原因是电机温度过高,电机表面温度达到120℃,折算到内部转子温度可能达到150℃以上,该电机磁钢牌号为N38SH,耐温为150℃,所以说在该种情况下会发生退磁,且由于退磁后电流在增大,产生更多的热量,内部温度上升更快,又会发生进一步退磁。固该电机不适用于我司驱动器的电机过载曲线。

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