關(guān)于永磁變頻螺桿空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼退磁問(wèn)題分析

2018/09/15 16:34

關(guān)于永磁變頻螺桿空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼退磁問(wèn)題分析

鑒于前期測(cè)試伺服電機(jī)及客戶現(xiàn)場(chǎng)也有出現(xiàn)過(guò)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼退磁的情況，經(jīng)查閱相關(guān)資料并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)永磁體退磁原因進(jìn)行如下分析。

永磁同步電機(jī)具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度、高調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，特別是伺服行業(yè)，幾乎都是使用永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但是由于永磁體的熱穩(wěn)定性不良、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足以及使用不當(dāng)?shù)仍?，?huì)造成在使用過(guò)程中磁鋼出現(xiàn)不可逆退磁。磁鋼退磁，會(huì)使電機(jī)的性能下降，甚至無(wú)法使用。所以本文旨在從永磁材料、電機(jī)設(shè)計(jì)、電機(jī)使用等方面分析永磁體退磁原因，以供后續(xù)參考。

一、永磁體的特性

1、永磁體的工作點(diǎn)及回復(fù)線

1.1、永磁體的退磁曲線為直線時(shí)（圖一），k點(diǎn)為退磁曲線的拐點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)帶載工作點(diǎn)在k點(diǎn)之上是，卸載后磁鋼剩磁會(huì)沿著直線Brk回到Br點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)帶載工作點(diǎn)在k點(diǎn)之下，如P點(diǎn)，此時(shí)卸載后磁鋼剩磁會(huì)沿著直線RP回到R點(diǎn)，此時(shí)已造成不可逆退磁。

1.2、永磁體的退磁曲線為曲線時(shí)（圖二），當(dāng)電機(jī)帶載后，工作點(diǎn)為A1,卸載后，回復(fù)線不會(huì)與曲線A1R重合，而是以A1A2S作為回復(fù)線，此時(shí)如果電機(jī)帶載工作點(diǎn)不超過(guò)A1，則以A1A2R作為回復(fù)線，一旦帶載工作點(diǎn)超過(guò)A1，假如到了A3點(diǎn)，則會(huì)以A3A4P作為回復(fù)線，長(zhǎng)此下去，不可逆退磁將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

2、溫度特性

溫度的變化會(huì)引起磁鋼性能的變化，特別是釹鐵硼永磁體，它對(duì)溫度很敏感（圖三），當(dāng)溫度超過(guò)一定值，材料磁性能將沿著曲線1逐漸降低，當(dāng)溫度恢復(fù)后，它的剩磁將會(huì)沿著曲線2進(jìn)行恢復(fù)，造成不可逆退磁。而從圖四可以看出，常溫下，釹鐵硼永磁體的退磁曲線為一條直線，沒(méi)有拐點(diǎn)，當(dāng)溫度上升時(shí)，永磁體的退磁曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)且拐點(diǎn)值隨著溫度的上升而變得越來(lái)越大，最低工作點(diǎn)也將越來(lái)越高。

3、震動(dòng)特性

永磁體在收到劇烈的震動(dòng)或者是敲打后，有可能引起其內(nèi)部疇發(fā)生變化，磁疇的磁矩方向發(fā)生變化后, 磁鋼磁性能會(huì)變差, 就會(huì)造成磁鋼退磁。

4、時(shí)效特性

對(duì)永磁材料而言, 隨時(shí)間的磁通損失與所經(jīng)歷時(shí)間的對(duì)數(shù)基本上成線性關(guān)系，因此, 電機(jī)磁鋼是有使用壽命的, 電機(jī)使用一定的年限之后, 磁鋼的磁性能也會(huì)下降。然而目前還沒(méi)有見(jiàn)到釹鐵硼永磁體因?yàn)闀r(shí)效而退磁，因?yàn)殁S鐵硼永磁材料磁性能隨時(shí)間的變化很小。

二、實(shí)際使用中引起永磁體退磁的主要原因

電機(jī)實(shí)際使用中造成永磁體退磁的原因往往是幾種退磁機(jī)理共同作用引起的，比如一臺(tái)電機(jī)過(guò)載的同時(shí)，溫度也會(huì)急劇上升，在兩種機(jī)理的共同作用下，會(huì)更容易出現(xiàn)不可逆退磁。所以綜合起來(lái)引起釹鐵硼永磁電機(jī)磁鋼失磁原因集中在以下幾個(gè)方面。

1、永磁體材料本身原因引起的退磁

我們目前使用的伺服電機(jī)均是采用釹鐵硼永磁體，釹鐵硼永磁體具有高剩磁、高內(nèi)稟矯頑力等優(yōu)勢(shì)，是目前磁性能最高的永磁材料，并且釹在稀土中的含量很高，鐵、硼價(jià)格便宜，又不含戰(zhàn)略物資鈷。但是釹鐵硼永磁材料的不足之處是熱穩(wěn)定性差，我們使用的磁鋼牌號(hào)為N38SH的釹鐵硼永磁體耐溫為150℃,只要溫度超過(guò)150℃，將會(huì)造成不可逆退磁，此外釹鐵硼永磁體含有大量的鐵、釹金屬材料，表面易氧化，一般會(huì)有環(huán)氧樹(shù)脂涂層或者是電泳、電鍍涂層，如果涂層工藝不合格，使用過(guò)程中也會(huì)因?yàn)橛来朋w局部氧化而造成退磁。

2、電機(jī)設(shè)計(jì)的原因引起的退磁

如果電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有充分了解電機(jī)使用工況，使得實(shí)際工作點(diǎn)在退磁曲線拐點(diǎn)以下，那么在使用過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)不可逆退磁，此外通常設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的工作點(diǎn)往往是永磁體的平均工作點(diǎn)，而由于永磁體材料局部的差異，還必須計(jì)算出永磁體的最大退磁工作點(diǎn)。并且，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)還要充分考慮電機(jī)內(nèi)部溫升是否在105K以內(nèi)，如果超出此范圍，也將引起不可逆退磁。

3、使用不當(dāng)引起的退磁

電機(jī)使用的環(huán)境惡劣，特別是高溫或在機(jī)械劇烈震動(dòng)的情況下，可能會(huì)使電機(jī)磁鋼退磁；此外，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載情況下也會(huì)使電機(jī)由于溫度過(guò)高而發(fā)生不可逆退磁。

三、針對(duì)實(shí)驗(yàn)中電機(jī)退磁進(jìn)行分析

前期實(shí)驗(yàn)中，一臺(tái)電機(jī)SMM18-3Y4R4-U1NH5發(fā)生退磁，當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)先帶額定負(fù)載做了溫升實(shí)驗(yàn)，電機(jī)表面溫度穩(wěn)定后為108℃，此后進(jìn)行T-I曲線測(cè)試，在瞬間三倍過(guò)載下，輸出扭矩正常，也就是說(shuō)該電機(jī)在三倍過(guò)載的情況下，電機(jī)的工作點(diǎn)還在退磁曲線拐點(diǎn)之上，并不會(huì)發(fā)生不可逆退磁。然后進(jìn)行過(guò)載實(shí)驗(yàn)，目的是驗(yàn)證電機(jī)在我司驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)過(guò)載曲線下是否能正常工作。

當(dāng)電機(jī)過(guò)載倍數(shù)為1.5倍時(shí)，電機(jī)電流隨時(shí)間的推移迅速增大，說(shuō)明扭矩系數(shù)在迅速降低，電機(jī)正在退磁，當(dāng)時(shí)電機(jī)表面溫度為120℃，隨即斷電，待電機(jī)恢復(fù)到常溫后測(cè)試其反電勢(shì)，發(fā)現(xiàn)反電勢(shì)降低了13.7%，電機(jī)發(fā)生不可逆退磁，且退磁比例達(dá)到13.7%。經(jīng)分析，該電機(jī)退磁的主要原因是電機(jī)溫度過(guò)高，電機(jī)表面溫度達(dá)到120℃，折算到內(nèi)部轉(zhuǎn)子溫度可能達(dá)到150℃以上，該電機(jī)磁鋼牌號(hào)為N38SH，耐溫為150℃，所以說(shuō)在該種情況下會(huì)發(fā)生退磁，且由于退磁后電流在增大，產(chǎn)生更多的熱量，內(nèi)部溫度上升更快，又會(huì)發(fā)生進(jìn)一步退磁。固該電機(jī)不適用于我司驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)過(guò)載曲線。

這些方法確保永磁變頻空壓機(jī)電機(jī)不退磁！

改善措施：

1、更改電機(jī)設(shè)計(jì)，降低電機(jī)溫升；

2、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器電機(jī)過(guò)載曲線，及時(shí)保護(hù)電機(jī)。

懂行的人一定知道永磁變頻空壓機(jī)中的永磁同步電動(dòng)機(jī)在大電流、高溫或劇烈的振動(dòng)的情況下，會(huì)產(chǎn)生不可逆退磁，這里給您推薦三招解決退磁問(wèn)題。

第1招：正確選擇永電機(jī)功率

退磁和永磁電機(jī)的功率選擇有關(guān)。正確選擇永磁電機(jī)的功率可以預(yù)防或延韁退磁，永磁同步電機(jī)退磁的主要原因是是溫度過(guò)高，過(guò)載是溫度過(guò)高的主要原因。因此，在選擇永磁電機(jī)功率時(shí)要留有一定的余量，根據(jù)負(fù)載的實(shí)際情況況，一般20％左右比較合適。

第2招：避免重載起動(dòng)和頻起動(dòng)

籠型異步起動(dòng)同步永磁電機(jī)盡量避兔重載直接起動(dòng)或頻繁起動(dòng)。異步起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是振蕩的，在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波谷段，定子磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁極就是退磁作用。因此盡量避兔異步水磁同步電機(jī)重載和繁起動(dòng)。

第3招：改進(jìn)設(shè)計(jì)

a．適當(dāng)?shù)脑黾佑来朋w的厚度

從永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)和制造的角度，要考慮電樞反應(yīng)、電磁轉(zhuǎn)矩和永磁體退磁三者之間的關(guān)系。在轉(zhuǎn)矩繞組電流產(chǎn)生的磁通和徑向力繞組產(chǎn)生的磁通的共同在作用下，轉(zhuǎn)子表面永磁體容易引起退磁。在電動(dòng)機(jī)氣隙不變的情況下，要保證水磁體不退磁，最為有效的方法就是適當(dāng)增加永磁體的厚度。

b．轉(zhuǎn)子內(nèi)部有通風(fēng)槽回路，降低轉(zhuǎn)子溫升

影響水磁電機(jī)可靠性的重要因素是永磁體退磁。轉(zhuǎn)子溫升過(guò)高，永磁體將會(huì)產(chǎn)生不可逆的失磁。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子內(nèi)部通風(fēng)回路，直接冷卻磁鋼。不僅降低了磁鋼溫度，也提高了效率。