稀土永磁电机失磁分析Word格式.docx
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TITLE：
Analysisonexcitationlossofaeropermanentmagnetmotor
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ABSTRACT：
Theexcellentcharactersofpermanentmagnetmotorespeciallyrareearthpermanentmagnetmotormakingithasagoodprospectofapplicationinaviationfields.Howeverthemotormayeasilyloseexcitationwhentheoperatingconditionsarebad,whichleadstoanoticeablereductioninmotorperformance.Basedonmaterialpropertiesandworkingprincipleofpermanentmagnetmotor,thisarticleanalyzedthereasonsofexcitationlosscausedbydifferentfactors,suchashightemperature,mechanicalvibration,chemicalcorrosionandlongtimeeffect.Thenproposedpreventmeasuresfromthedesignandtheactualuseofthemotor.Atlastdiscussedmethodsandmattersneedattentionintheprocessofmagnetizingthepermanentmagnet.
KEYWORDS:
aeropermanentmagnetmotor;
rareearthpermanentmagnetmotor;
excitationlossanalysis;
magnetizing
目 次
1绪论
1.1永磁电机在航空上的应用
随着新型永磁材料，特别是稀土永磁材料的大力发展，使永磁电机的性能得以不断提高，永磁电机的应用也越来越广泛。
与电励磁电机相比，稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，在航空领域有很强的生命力。
目前稀土永磁电机主要作为驱动电动机、伺服电动机和控制电机应用在飞机上的电力作动系统中，如飞控系统、环境控制系统、刹车系统、燃油和起动系统等。
随着稀土永磁材料、电力电子、新型控制理论及电机理论的发展，中大型稀土永磁电机也开始在航空领域得到应用。
比如在无人机上获得应用的500～2000VA稀土永磁同步发电机、机载电源系统中的45～150kVA大容量稀土永磁发电机以及目前受到国内外广泛关注的一种融合了永磁电机和电励磁电机优点的复合励磁稀土永磁发电机等。
1.2航空永磁电机存在的问题
永磁电机中永磁体的磁性能直接影响永磁电机的效率、安全性和可靠性。
如果电机设计或使用不当，在高温、化学腐蚀、机械振动以及冲击电流产生的电枢反应等因素作用下，电机内的永磁体容易产生不可逆失磁，使电机性能急剧下降，甚至有可能导致电机停转或烧毁。
由于航空电机面临着诸多恶劣的工作条件，比如振动和冲击引起的机械过载、起动或反转时的电流过载、以及复杂的大气和温度条件等，而同时航空电机又对可靠性有很高的要求，因此永磁电机要想在航空领域获得广泛的应用，首先要解决电机永磁体的失磁问题。
所以有必要分析电机永磁体失磁的原因，找出提高电机抗去磁能力的办法。
2永磁电机失磁原因分析
2.1失磁原因概述
造成永磁电机永磁体失磁的原因总结起来可分为以下三种情况：
一、材料本身的原因引起的失磁
永磁材料的热稳定性、时间稳定性、化学稳定性、外磁场稳定性和抗振动性等性能不达标是引起永磁电机永磁体失磁的主要原因。
二、电机设计的原因引起的失磁
由于电机设计时对电机的工作环境和特殊性能要求了解不清，永磁体工作点选择不当等原因，导致永磁电机在使用过程中发生不可逆失磁。
三、电机使用不当或发生故障引起的失磁
电机在恶劣的大气环境、高温或在剧烈机械振动下使用，容易会使电机永磁体失磁。
电机起动、短路、堵转、突然停转或反转时，在冲击电流产生的电枢反应的作用下，也可能造成永磁体失磁。
另外，若充磁后的永磁体接触强磁性物质，将会引起明显的失磁效应。
永磁体磁性能下降的原因有两种：
一种是磁畴结构的变化，即有序排列的磁畴因受到干扰而被打乱，这种变化通过充磁是可恢复的；
另一种是永磁体显微结构的变化，比如晶界的破坏，这种变化是不可恢复的。
本文主要以目前磁性能最高、应用最广的钕铁硼（NdFeB）稀土永磁电机为例，对电机永磁体失磁的原因进行分析。
2.2热失磁
2.2.1热失磁的原因
如图2.2.1所示，当永磁体温度从t0升至t1时，磁通密度沿曲线1由B0降至B1；
当温度从t1回落到t0时，磁通密度沿曲线2回升至B'
0，而不是B0。
以后温度在t0和t1间变化，磁通密度则在B'
0和B1间变化。
由图可以看出，永磁体所处的环境温度升高时，磁性能的损失可以分为两部分，即可逆损失RL和不可逆损失IL。
而不可逆损失又分为可恢复损失和不可恢复损失两种情况。
发生可逆去磁效应的原因是由于温升使永磁体内微观粒子热运动加剧，扰乱了电子自旋的定向度，原子磁矩相互抵消，从而使磁性能减弱。
温度回落后，热干扰消失，电子自旋的定向度恢复，从而使永磁体的磁性能恢复。
发生不可逆去磁效应的原因是永磁体中的不稳定磁畴在高温下重新排列，或磁体的显微结构在高温下遭到破坏。
前者引起的磁性损失可通过重新充磁而复原，称为可恢复损失；
而后者引起的损失充磁后仍不可复原，称为不可恢复损失。
多数情况下永磁电机受温度影响所造成的不可逆损失是可恢复的，但是若因电枢绕组烧毁致使温度升至磁体的居里温度以上，磁体的显微结构将遭到破坏，会引起不可逆且不可恢复的磁性能损失。
钕铁硼永磁和铁氧体永磁的磁性能对温度的敏感性较大。
如果电机从冷态运行到热态，运行温度提高100℃，一般情况下，钕铁硼永磁电机和铁氧体永磁电机的每极气隙磁通量将分别减少约12.6%和18%~20%，这将显著影响永磁电机的运行特性和参数。
2.2.2衡量永磁材料热稳定性的参数
热稳定性：
指永磁体由所处环境温度的改变而引起的磁性能变化程度。
衡量永磁材料热稳定性的参数有永磁体剩余磁感应强度温度系数、永磁体內禀矫顽力温度系数、磁性能的损失率和居里温度与最高工作温度。
其中：
永磁体剩余磁感应强度随温度可逆变化的程度用温度系数
表示，单位为K-1。
永磁体內禀矫顽力随温度可逆变化的程度用温度系数
温度恢复后磁性能的不可逆损失，用损失率IL表示。
从电机使用的角度看，
、
、IL的绝对值都是越小越好。
关于居里温度和最高工作温度的定义:
随着温度的升高，磁体磁性能逐步降低，升至某一温度时，磁化强度消失，该温度称为该永磁材料的居里温度，又称居里点，符号为TC，单位为K或℃。
将规定尺寸（稀土永磁体为
10mm×
7mm）的样品加热到某一恒定温度，长时间放置（一般取1000h），然后将样品冷却到室温，其开路磁通不可逆损失小于5%的最高保温温度定义为该永磁材料的最高工作温度，符号为TW，单位为K或℃。
电机实际应用时所允许的最高温度应低于永磁材料的最高工作温度。
2.3交流失磁
2.3.1永磁材料的外磁场稳定性
永磁体在交变磁场作用下表面磁感应强度随时间变化的强度，称为永磁体的外磁场稳定性。
永磁电机负载运行时，电枢电流产生的电枢磁动势会对气隙磁场产生影响。
其中，交轴电枢磁动势主要使气隙磁场的分布发生畸变，直轴电枢磁动势则对气隙磁场有增磁和去磁效应。
当电机负载改变时，由于直轴电枢磁动势的影响，永磁体的工作点随之改变，若初始工作点设置不当，则会引起永磁体不可逆失磁。
此外，电枢反应的高频谐波磁场会加大永磁体失磁速度和失磁程度，磁场频率越高，失磁速度越快，失磁程度越大。
将电机永磁体在交变磁场环境下的失磁效应称为交流失磁。
2.3.2电枢反应引起永磁体失磁的机理
下面用等效磁路解析法说明电枢反应引起永磁体失磁的原理。
如图2.3.2-1所示，可将电机永磁体等效成一个恒磁动势源Fc和一个恒定内磁导Λ0相串联的磁动势源。
图2.3.2-2表示电机负载时外磁路的等效磁路，其中Fa表示电枢磁动势，Λδ、Λσ分别表示主磁导和漏磁导，图2.3.2-3是图2.3.2-2的戴维南等效磁路，Λn是合成磁导，等效磁动势：
（
为空载漏磁系数）……（2.3.2）
图2.3.2-4为永磁电机的回复线与合成磁导线，永磁体的工作点是合成磁导线和回复线的交点。
联立两个曲线方程：
便可解出永磁体的工作点。
由图2.3.2-3可知，作用于外磁路合成磁导Λn的磁动势为
增磁取“＋”，去磁取“－”），因此在用图解法求永磁体工作点时，要将合成磁导线从原点向左右平移
距离（增磁合成磁导线右移，去磁则左移）。
当负载电流变化时，电枢反应的等效去磁磁动势
会变化，从而使合成磁导线左右移动，进而引起永磁体工作点变化。
依据磁性材料的性质，当退磁曲线呈线性时，回复线与退磁线重合。
如图2.3.2-5，电机空载工作点为A点，若电机负载运行，工作点变为A1，这时，电机去掉负载后，永磁体剩磁会沿回复曲线回复，不会发生不可逆退磁。
当退磁曲线呈非线性时，如图2.3.2-6，去掉负载后，回复线和退磁曲线不重合，永磁体剩磁沿回复曲线A1—S回复，不可能回到R点，而是回到S点，永磁体的空载工作点降到A2；
若再次带负载运行，所带负载大于上一次，去掉负载后，永磁体剩磁又会沿回复线A3—P回复到P点，电机空载工作点降到A4。
可见永磁体的剩磁越来越小，工作点也越来越低，长此下去，永磁体发生不可逆退磁。
有的永磁材料（如铁氧体永磁），其退磁曲线上半部分为直线，当退磁磁场强度超过一定值后，退磁曲线出现拐点，拐点一下为曲线，如图2.3.2-7所示。
而大部分稀土永磁材料的退磁曲线全部为直线，回复线与退磁曲线相重合，正常情况下可以使永磁电机磁性能在运行过程中保持稳定，不产生不可逆失磁。
但是，若材料的热稳定性较差（如钕铁硼材料），当环境温度升高到一定值时，其退磁曲线下半部分会发生弯曲。
如图2.3.2-8所示：
因此，稀土永磁电机的电枢反应同样可能引起永磁体的不可逆失磁。
特别是当永磁电机处于起动、堵转、突然停转或突然反转等运行状态或发生短路故障时，电枢绕组中的电流是额定电流的几倍甚至十几倍，此时电枢反应去磁作用很强，永磁体工作点会显著下降，从而可能导致永磁体产生较大程度的不可逆失磁，严重影响电机性能。
2.3.3高频交变磁场环境对失磁效应的影响
由于电机自身磁势、磁路以及负载的非线性等原因，在实际使用过程中电机气隙内总会存在各种各样的谐波。
若电机磁路结构设计不合理，会产生频率很高的谐波磁场。
高频交变磁场的作用，会加快NdFeB永磁体的失磁过程，且磁场频率越高，永磁体失磁速度越快，失磁程度越大。
这一效应可用磁体畴壁钉扎与运动模型和畴壁钉扎的热激活效应进行解释。
依据畴壁钉扎理论，可对永磁体在交变磁场环境下产生失磁效应的原理作如下解释：
磁体在退磁时，其矫顽力是由晶粒边界对畴壁运动的钉扎作用决定的，一段两端被钉扎的畴壁在外场的作用下膨胀时的平衡条件：
σ为畴壁能，r为膨胀畴壁的曲率半径，M为磁体自发磁化强度，H为外加磁场强度。
如图2.3.3所示，外场较弱时，畴壁两端被钉扎住，且畴壁在满足平衡条件的前提下膨胀（a→c），撤去外场后，畴壁可以可逆地回复到原来的位置a。
外场较强时，畴壁膨胀到r=l/2时达到临界值（l为两钉扎点之间的距离），若畴壁继续膨胀，将不再满足平衡条件，畴壁开始发生不可逆膨胀（c→d），并移动到下一个较强的钉扎点。
在交变磁场的作用下，畴壁脱离平衡位置发生不可逆移动的临界点就是在磁体退磁曲线上观察到的拐点。
当磁体最低工作点不超过拐点时，畴壁的膨胀不会超过其临界点，所以只发生可逆膨胀，外场作用一段时间再撤去后，磁体表面磁感应强度又回复到原来的状态。
当磁体最低工作点超过拐点时，磁体畴壁就会发生不可逆膨胀，畴壁在不可逆膨胀的作用下移动到钉扎强度更强的位置并保持稳定，而钉扎强度增强的方向是磁体失磁的方向，因此在畴壁的移动过程中，磁体产生了失磁。
当外场作用一段时间再撤去甚至转向后，磁体表面磁感应强度也不能完全回复到原来的状态，即产生了不可逆失磁。
畴壁的运动在微观上，是畴壁上的单畴颗粒受热激活驱动，克服畴壁能垒自旋翻转的结果。
热激活能量越高，单畴颗粒产生自旋翻转的频率就越大，个数就越多。
表现在宏观上就是磁体的失磁速度和失磁程度增大。
在交变磁场的作用下，磁滞效应造成的能量损耗被磁体吸收，从而增强了颗粒的热激活能量。
由于磁滞效应引起的损耗功率与磁场的频率成正比，因此磁场的频率越高，单畴颗粒的热激活能增加越多，颗粒产生自旋翻转的频率就越大，翻转个数也越多，从而导致磁体的失磁速度和失磁程度也越大。
2.4化学腐蚀失磁
2.4.1永磁材料的化学稳定性
永磁材料的化学稳定性是指材料的抗氧化和耐腐蚀程度。
永磁体的氧化和腐蚀，会导致磁体的化学组成和微观结构遭到破坏，从而引起永磁体产生不可逆且不可恢复的失磁。
2.4.2氧化和腐蚀的机理
NdFeB永磁体主要由主相Nd2Fe14B、富Nd相和富B相组成，富Nd相中的单质Nd（钕）是化学活性最高的金属元素之一，化学稳定性差，较易发生氧化。
另外，由于NdFeB磁体是多相结构，各相间化学电位的不同，容易引起磁体的电化学腐蚀。
当处于高温潮湿或者有盐雾、油污的环境以及电化学环境下时，未加防护的NdFeB磁体极易发生腐蚀。
在高温环境下，富Nd区的Nd发生氧化，转变成Nd2O3；
主相Nd2Fe14B会发生分解，生成Fe和Nd2O3，进一步氧化，还将出现Fe2O3等产物。
在潮湿环境下，NdFeB磁体表层的富Nd相中的Nd首先与水蒸气发生腐蚀反应，反应方程式为：
3H2O+Nd→Nd（OH）3+3H
反应生成的H渗入晶界中，与富Nd相发生进一步的反应，造成晶界腐蚀，反应方程式为：
Nd+3H→NdH3
这种腐蚀使晶界相的体积增大，导致晶界的破坏。
环境湿度对永磁体耐蚀性的影响比温度的影响要大，这是因为磁体在干燥的氧化环境下，形成的腐蚀产物薄膜将磁体与环境分隔开，阻止了磁体的进一步氧化。
而在潮湿的环境下生成的氢氧化物或其他含氢化合物则缺乏这种保护作用。
若湿度过大，超过了气体的露点，有液体生成时，磁体还将发生电化学腐蚀。
在电化学环境中，NdFeB磁体中各相的化学电位不同，富B相和富Nd相相对于主相Nd2Fe14B成为阳极，会优先发生腐蚀。
此外，有金属镀层的NdFeB磁体，一旦金属镀层出现空隙、裂纹或蚀坑，在腐蚀介质中磁体与镀层也会发生电化学腐蚀。
由于钕铁硼磁体多采用粉末冶金工艺制造，表面存在着磨削加工所产生的恶化层和材料自身存在的一些气孔、氧化相等。
空气中的水分很容易从磁体表面或接近表面的富B相和气孔处进行腐蚀，更加快了腐蚀速度和腐蚀程度。
2.5振动失磁
永磁体在受到剧烈振动之后，可能会引起永磁体的磁畴结构发生改变，从而导致永磁体的磁性能变差，甚至会造成永磁体不可逆失磁。
原理如下：
（1）
（2）（3）
图2.5振动失磁的原理
图2.5-1为充磁以前，永磁材料内部的磁畴结构。
可见其磁畴结构排列杂乱，磁畴内的磁矩因磁化方向不同而使磁性相互抵消，因此在永磁材料充磁以前，对外显示磁性很小。
图2.5-2为充磁以后，永磁材料内部的磁畴结构。
磁畴因受外加充磁磁场作用而顺着外磁场的方向发生归顺性重新排列。
当外磁场强度增加到一定程度时，磁畴中磁矩的磁化方向与外磁场方向取向完全一致，这时永磁体对外呈现很强的磁性。
图2.5-3为充磁后的永磁体因受到高频振动，引起磁矩偏转，导致永磁体磁性能下降，甚至失磁。
振动引起的失磁主要出现在马氏体型永磁体中，在稀土永磁体中，振动失磁效应较小。
2.6时效失磁
2.6.1永磁材料的时间稳定性
永磁材料充磁以后，不受周围环境或其他外界因素的影响，在室温下长期放置，其磁性会随时间的延长而略微下降。
这是由于饱和充磁后的永磁体内，百分之九十几的区域被磁化至特定方向，但总有一些小磁畴的磁化方向是混乱的，称为“反磁化核”。
随着时间的增长，反磁化核会慢慢变大，导致永磁体的磁性下降。
但是这种纯粹因时间效应引起的失磁是很微弱的，通常饱和充磁后的永磁体在室温下放置，其磁性能只在开始的1至2个小时内略有下降，其后随着时间的增长，可认为其磁性能基本不变（变化量小于0.5%）。
2.6.2永磁材料的老化现象
永磁体在实际使用过程中，可能会受到高低温、机械振动、化学腐蚀、交变磁场等各种环境因素的影响。
在外界因素的作用下，永磁体内原有的反磁化核会加速生长，并会产生新的反磁化核。
这样，随着使用时间的增长，永磁体的磁性能会有明显的下降，这种现象称之为永磁体的老化。
2.7接触失磁
在永磁体充磁后的运输、装配和电机使用过程中，若永磁体接触或靠近强磁性体，相当于给永磁体施加了一个退磁磁场，从而引起永磁体失磁。
将此类失磁效应称为接触失磁。
3减小电机永磁体失磁的措施
3.1减小材料本身的原因引起的失磁
3.1.1添加合金元素
NdFeB永磁材料温度稳定差的主要原因是材料的居里温度低、温度系数大。
所以改善Nd-Fe-B永磁材料的温度稳定性，就要提高居里温度、降低温度系数。
主要可通过提高磁晶各向异性场、优化磁体的显微结构等方面着手。
影响NdFeB永磁体耐腐蚀性的关键因素是富钕相的化学特性及其分布状态。
因此要通过改善富钕相的组成和分布来提高磁体的耐腐蚀性。
主要从以下几方面入手：
1、降低富钕相的化学活性，减少合金发生高温氧化和选择性腐蚀。
2、尽量减小边界富钕相的厚度，减小晶间腐蚀通道，抑制晶间腐蚀速度。
3、增大材料电阻从而减小腐蚀电流，降低电化学腐蚀速度。
添加合金元素能有效改善磁体的微观组织和相的组成，进而改善磁体性能，具体原理是：
其一，添加的合金元素在永磁体中可作为替代元素，替代主相中的Fe或Nd等易被腐蚀的元素；
其二，添加元素与磁体内的其他元素一起组成了新相，改善了磁体的微观组织；
其三，添加元素进入到富钕相，改善了富钕相的性质。
例如：
添加元素Dy（镝）可替代Nd2Fe14B中的Nd（钕），生成Dy2Fe14B。
由于Dy2Fe14B各向异性场远大于Nd2Fe14B的各向异性场，因此提高了永磁体的矫顽力，增大了其抗去磁能力。
添加Nb（铌）元素，可使永磁体晶粒细化、均匀化、规则化，减小材料内部的散磁场，并能阻止冶炼和再复合过程中α-Fe的形成，从而降低较高温度下磁通的不可逆损失，提高了磁体的温度稳定性。
但是研究表明添加单一的合金元素不能使烧结钕铁硼的磁性能（剩磁、矫顽力、最大磁能积和居里温度）得到较理想的改善。
往往是某一指标的提高总是以牺牲另一指标为代价。
比如：
单一添加Dy（镝）元素虽然可提高烧结钕铁硼的矫顽力，但是会使剩磁降低。
因此，通常采用不同的元素组合，进行多种元素混合添加，以最大限度地满足对电机永磁体性能的不同要求。
例如，复合添加Co+Ni+Al（钴镍铝）的NdFeB永磁体其耐腐蚀性和温度稳定性得到提高。
复合添加Co+Dy+Nb（钴镝铌）的钕铁硼永磁体，可使烧结NdFeB的温度稳定性和时间稳定性得到明显改善。
3.1.2表面处理
对永磁体表面进行涂层处理，用涂层阻止腐蚀性物质的接触和渗透，可有效增强材料的耐腐蚀能力。
NdFeB磁体的防腐蚀涂层主要有金属镀层、有机涂层和复合涂层三类。
金属镀层可采用Ni、Zn、Al、Ni-P、Ni-Fe等金属或化合物，用电镀、化学镀等覆于磁体表面。
有机涂层材料主要是树脂和有机高分子，目前应用最多的是环氧树脂材料。
环氧树脂具有优异的防水性、抗化学侵蚀性及粘结特性，并有足够的硬度。
因此覆有环氧树脂涂层的永磁体具有良好的抗溶剂、抗盐雾、抗冲击能力。
为了获得更好的抗腐蚀效果，可以采用以上几种涂层的组合，形成复合防护体系，比如将化学镀镍和电泳涂层结合起来的复合涂镀层。
复合镀层不但具有双重保护的叠加效果，而且化学镀镍时易于产生的镀层缺陷，将因电泳涂层的良好的覆盖能力而得到修补，而电泳涂层则因在已有化学镀镍作为预处理的良好表面上进行，可以进一步的提高涂层的结合力和表观质量。
不同类型，不同厚度的涂层的防护能力不同，生产成本也不同。
因此要根据永磁体的使用环境来选择合适的保护涂层。
3.2减小电机设计的原因引起的失磁
永磁材料的磁性能除了与温度、外磁场、抗腐蚀能力等主要影响因素外，还与永磁体应用的磁路系统设计有关，如磁体尺寸比、工作气隙的长度、磁路的饱和程度、永磁工作点的选择等，合理的设计可最大程度上发挥永磁体的磁性能并减小失磁。
3.2.1选择合适的永磁材料
设计永磁电机时，首先要考虑的是永磁材料的选择。
通常永磁材料的选取原则是：
1、应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。
2、在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。
3、有良好的机械性能，以便加工和装配。
4、经济性好，价格适宜。
航空永磁电机对体积、质量、性能和可靠性的要求很高，价格不是主要的因素，因此应尽量选择磁性能高、稳定性好的永磁材料做电机的永磁体。
此外还要考虑不同工作环境对电机永磁体的不同要求。
应用在直升机上的永磁电机，永磁材料的抗振性能要好；
油泵电机要考虑防油污的腐蚀；
在气候炎热，空气潮湿甚至有盐雾的沿海地域，永磁体抗氧化腐蚀的性能要好；
电机负载运行时若存在较大的去磁磁势，则应选用矫顽力较大的永磁材料。
3.2.2正确预测电机温升
电机温升是指电机与环境的温度差，电机运行过程中各部位的能量损耗是引起温升的原因。
包括电枢绕组的铜耗、铁心损耗和其他杂散损耗，以及高速无刷电机中转子的风摩损耗。
在永磁同步电机中，由于受到磁场空间谐波和时间谐波的作用，永磁体内还存在涡流损耗。
温升使电机永磁体所处的环境温度升高，导致永磁体性能下降，甚至会引起不可逆失磁。
温升预测关系到永磁材料的选择、永磁体工作点的计算和电机结构设计等，是电机设计过程中很重要的一步。
要正确预测温升，首先要获取准确的热源分布，其次要选择有效的分析方法。
3.2.3正确选择电机永磁体的工作点
航空永磁电机在设计时要充分考虑电机运行的可靠性，因此必须对电机的工作点进行最大去磁校核。
此外由于钕铁硼材料的磁性能对温度的敏感性很
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