铁氧体永磁电机的退磁因素
铁氧体永磁电机的退磁因素
铁氧体永磁电机以其经济性著称，但同时也伴随着一些性能上的挑战，如较低的功率和转矩密度、容易退磁、复杂的机械结构、较大的转矩波动以及高温度系数。电机领域的研究者和工程师们致力于发挥其优势，同时努力减少或消除这些劣势。通过采用先进的设计技术，可以在一定程度上弥补铁氧体电机的不足，这使得铁氧体永磁电机的优化设计在某些方面比稀土永磁电机更具挑战性。
1. 退磁
退磁率可定义为不可逆消磁的量除以总量。在退磁方面，铁氧体电机通常比稀土永磁电机有更高的退磁率。尽管铁氧体电机的居里温度较高，一般工作温度不会导致不可逆退磁，但它们的低矫顽力使得铁氧体永磁容易受到退磁场的影响而退磁。
温度对钕铁硼和铁氧体永磁的矫顽力有着相反的影响。钕铁硼在低温下矫顽力增强，而铁氧体则在温度降低时矫顽力下降。铁氧体永磁的矫顽力温度系数为正，而钕铁硼永磁的矫顽力温度系数为负。此外，铁氧体永磁的磁化曲线在低温时会向上移动(从BH平面的第三象限移动到第二象限)，使得低温环境下铁氧体电机更易发生不可逆退磁。下图展示了不同温度下铁氧体永磁材料的退磁曲线。
温度、电机的几何设计、绕组匝数、电流大小、电流相位角以及转子位置等因素都可能对铁氧体电机的退磁产生显著影响。在研究退磁时，这些因素都需要被仔细考虑。为了确保电机的安全运行，需要考虑最极端的情况。
可能引起退磁的工况包括：
- 最低可能工作温度（例如，电动汽车的-40ºC）。
- 最大可能电流（例如，标称电流的两倍、电泳电流等）。
- 最差电流相角和最差转子位置（导致最低的通量密度）。
- 特殊事件，如电机端部的过载或短路，尤其在低温条件下，可能导致铁氧体永磁退磁。因此，设计时也应考虑这些异常工况。最终的设计应具备良好的退磁抵抗能力。
- 永磁材料的电导率也是影响退磁的一个重要参数。铁氧体永磁的电导率非常低，因此其内部产生的涡流可以忽略不计。
- 对于环境温度变化大或需要弱磁控制的应用，退磁强度的评估尤为重要。
铁氧体电机的退磁通常是通过永磁体内部的磁通密度分布来评估的。一种评估方法是将磁密低于BH曲线膝点的区域视为退磁区域。因此，在设计时需要考虑最小磁密的约束。
电机绕组中的感应电压也可以作为退磁的一个间接评估标准。良好的设计应在不同工作条件下提供相似的空载反电势波形。如图所示，即使在退磁测试后，设计良好的铁氧体助磁同步磁阻电机的电动势波形也没有明显变化。
可以通过切除磁场分布中的退磁区域来减少退磁风险。如下图所示，在PMa-SynRM中使用的铁氧体永磁的退磁部分。加大永磁体的倒角可以减少退磁区域，从而降低退磁率，但这并不会提高电机的扭矩能力。实际上，移除PM中的无用退磁部分理论上不会改变产生的扭矩，但可能会导致扭矩密度略有下降。
为了防止铁氧体永磁电机的不可逆退磁，可以进行结构修改。在无刷电机中选择较厚的永磁体可以降低退磁风险。在铁氧体助磁同步磁阻电机中优化磁栅尖角可以减少电枢反应的影响，防止严重的不可逆退磁。如下图所示的传统辐条结构已被改进的结构所取代，这种修改将永磁体的载荷线移离膝点区域，降低了退磁风险，并扩展了电机的速度扭矩特性范围。
每次改进扭矩的尝试都应谨慎进行。例如，在混合铁氧体+钕铁硼永磁电机中，应特别注意铁氧体永磁的退磁作用。钕铁硼永磁体的漏磁通可能导致铁氧体严重退磁，因此在选择两种永磁体的相对位置时，应尽量减少这种影响。
2. 机械性能
在机械性能方面，铁氧体和稀土永磁材料有所不同。铁氧体的密度更低，更硬且更脆，抗拉强度大约是钕永磁的七分之一。由于加工限制，制造非常薄的铁氧体片(厚度小于1 mm)很困难。然而，铁氧体不易腐蚀，因此通常不需要涂层。铁氧体电机的物理特性限制了其在高机械应力应用中的使用。设计良好的铁氧体电机，尤其是高速电机，必须具有足够的机械强度以承受离心力。这种强度通常是通过分析最大转速时的冯·米塞斯应力分布来评估的。
一些技术可以提高铁氧体电机的应力承受能力。例如，通过改变铁氧体助磁同步磁阻电机的几何细节可以降低应力。然而，这可能会对电机的扭矩能力产生负面影响，因为磁桥厚度的增加会导致漏磁增加和凸极比减小。
铁氧体的磁性能也可能影响电机的机械设计。由于铁氧体的剩磁较低，铁氧体电机的体积相对较大。在高速应用中，选择较高的直径与轴长比是有益的，但这可能会影响铜耗和铁耗的平衡。
在设计铁氧体电机时，设计者可能会在长径比的选择上面临冲突，因为每台电机的单位长度永磁体用量是有限的，串联匝数不应过高以避免退磁，因此可能需要增加电机的长度。
3. 其他
铁氧体永磁体的磁性能变化较大，因此铁氧体电机的性能特性会随温度变化而变化。例如，当铁氧体BLDC电机的温度降低时，定子相电流减小，功率因数提高。铁氧体电机的温度降低限制了电机的最大速度，如图所示，在恒转矩区域外，温度效应明显。