如何通过磁材选型降低电机退磁风险？

降低电机退磁风险取决于矫顽力，即在牌号最弱的温度下，其矫顽力仍需超过该温度下出现的最大电流所产生的反向磁场。

永磁电机中的不可逆退磁是一个综合应力问题。对于烧结钕铁硼和钐钴，通常是高磁体温度、峰值或故障电流以及磁体最薄弱的局部区域（如后沿或拐角）共同作用的结果。对于硬铁氧体，矫顽力的薄弱点在于低温，同样伴随着高电流。室温数据表数值不能代表这两种情况。有用的问题不是“哪种磁体最强？”，而是哪种材料和牌号能够在实际工作循环中保持足够的矫顽力裕量，而无需为电机永远不会用到的裕量买单。

这对您的设计意味着什么：首先确定最恶劣的工作点，然后选择材料。从目录中挑选一个牌号然后再进行检查，往往会导致现场故障，或者选用了工作循环并不需要的重稀土牌号。

磁材家族的主要区别在于其矫顽力随温度的变化方式，这种差异比剩磁更能决定退磁风险。

下表在影响退磁的关键维度上比较了各种材料路线。如果给出了温度系数，它是该家族通常引用的数量级，而不是保证的牌号数值。实际系数因牌号、温度区间和供应商而异。在冻结牌号之前，请在具体的数据表和测量的退磁曲线上进行验证。

这对采购意味着什么：高矫顽力钕铁硼牌号并不自动意味着最安全的采购选择。铁氧体在温度范围冷端最弱。当热矫顽力稳定性比磁通密度更重要时，会考虑使用钐钴。规格书中的失效条件决定了材料家族的选择。

永磁体工作点计算展示了几何形状和材料如何共同设定退磁裕量。

一阶磁路筛选可以对选项进行排序。它不是签核模型。假设磁体长度为 $l_m$，面积为 $A_m$，气隙 $g$ 的面积为 $A_g$，具有相对回复磁导率 ${\mu }_{rec}$ 的线性回复线，且铁磁阻和漏磁可忽略不计。这些假设比内置式磁体转子更适合简单的表贴式磁体筛选。

在没有电枢磁动势的情况下，根据安培定律（$H_m{l}_m+H_{g}g=0$）和无漏磁的磁通连续性（$B_m{A}_m=B_g{A}_g$），可得空载工作点：

$P_c$ 是一个无量纲的几何磁导系数。负载线斜率为 $|B_m/H_m|={\mu }_0{P}_c$。$P_c$ 为 4 与高斯数据表实践中常称为磁导系数 4 是同一个数值。它不是以特斯拉和 A/m 为单位的 $|B/H|$。

取 $H$ 沿磁化方向为正，因此空载 $H_m$ 为负。数据表中的 $H_{cj}$ 和膝点场 $H_k$ 为正幅值。

退磁电枢磁动势 $F_a$（当它对抗磁化时为正），折算到磁体长度为 $H_a=F_a/l_m$，使工作点沿回复线移动：

增加的退磁场为 $H_a/(1+{\mu }_{rec}/P_c)$，而不是完整的 $H_a$。从空载场中减去 $F_a/l_m$ 会高估平均反向场。如果局部场已经从有限元分析中获取，请将该局部幅值直接与 $H_k(T)$ 进行比较。不要再从空载负载线中减去它。

闭式解仅在它保持在膝点以上的线性回复线上时有效。筛选条件为：

$T_{\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{t}}$ 是该牌号膝点最低的温度，且 $H_a$ 中的电流必须是该温度下实际可能出现的电流。$m$ 是项目约定的分数裕量。此处不使用 $m$ 的通用值。它必须涵盖 $B_r$ 和 $H_{cj}$ 的公差、热模型误差以及装配偏差。

在一阶近似下，在参考温度 $T_0$ 附近：

$\beta$ 是以 %/°C 为单位的系数。对于钕铁硼和钐钴为负，对于硬铁氧体的 $H_{cj}$ 为正。$H_k$ 低于 $H_{cj}$，具体取决于该牌号的方度。不要假设一个方度比。

这对您的设计意味着什么：更厚的磁体或更小的气隙会提高 $P_c$，并使平均工作点远离膝点。增加厚度会增加质量和磁体体积。它的成本可能低于重稀土牌号，但只有在相同裕量下进行定价比较才能证明这一点。

说明性/假设场景。 这些数值不是测量的牌号数据，也不是推荐的设计点。取 $B_r=1.2$ T，${\mu }_{rec}=1.05$，$P_c=4$，且 ${\mu }_0=4\pi \times {10}^{-7}$ H/m。则 $B_m\approx 0.95$ T，空载 $|H_m|\approx 189$ kA/m。取 $H_a=F_a/l_m=300$ kA/m。此处 $B_r/({\mu }_0{P}_c)\approx 239$ kA/m，因此：

将 300 kA/m 直接加到空载的 189 kA/m 上得到 489 kA/m。该总和不是负载线的结果。

一个假设的磁体在 20 °C 时 $H_{cj}=1600$ kA/m，且 $\beta =-0.55$ %/°C，线性外推至：

$USD 1600\times\left[1 + \frac{-0.55}{100}\times 130\right] \approx 456\ \mathrm{kA/m}$$

在 150 °C 时。此时平均 $|H_m|$ 低于该外推的 $H_{cj}$ 不到 30 kA/m。这不能算作通过。$H_k$ 低于 $H_{cj}$，恒定的 $\beta$ 不是数据表曲线，且边缘场超过平均值。相同的三个调节手段仍然适用：更高 $H_{cj}$ 的牌号、更高的 $P_c$ 或临界温度下更低的峰值电流。仅靠这种算术运算不能证明这三种手段中的任何一种。

使用公式排除已经无法通过平均场筛选的选项。使用温度下的测量退磁曲线和局部场的有限元分析进行最终签核。

推荐的设计窗口确保在最恶劣情况下，临界温度下的内部场低于膝点，并留有明确的裕量。

以下实践是一个工程窗口，而不是从单一标准中提取的检查清单：

• 明确定义最恶劣情况。 对于钕铁硼和钐钴，使用最大磁体温度（这不是绕组温度），结合该温度下可能出现的最高电流。该电流可能是三相短路或弱磁瞬态，而不是额定电流。对于铁氧体，将最低磁体温度与那里可能出现的最高电流（包括冷启动）配对。
• **使用膝点场而非 $H_{cj}$ 作为极限。 在存在的情况下，使用临界温度下的测量退磁曲线。方度因牌号和供应商而异。
• 保持与可靠性评估一致的裕量。** 没有通用的百分比适用。裕量应涵盖 $B_r$ 和 $H_{cj}$ 的公差、热模型的不确定性以及装配偏差。
• 检查局部场，而不仅仅是平均负载线。 特别注意后沿磁极边缘、内置式永磁（IPM）转子中的磁障拐角以及薄磁体部分。
• 检查铁氧体的低温条件。 冷启动电流是铁氧体的矫顽力考核条件，即使高温磁通条件看起来可以接受。
• 在每单位裕量成本的基础上，在几何形状与牌号之间进行权衡。 比较磁体厚度、分段和转子拓扑结构与牌号变更。适度增加 $P_c$ 可以消除对最高重稀土含量的需求。在具体的物料清单上确认这一点。

这对成本意味着什么：不要假设“总是购买最高 $H_{cj}$”或“总是增加厚度”。对两种方式的裕量进行定价。

当设计在选型假设的边界之外运行时，永磁电机会发生不可逆退磁。

在以下情况下，将材料选择视为未经证实，或将筛选视为无效：

• 磁体温度超出选型中使用的数值。 冷却受阻，或使用绕组温度代替磁体温度的热模型，会迅速耗尽钕铁硼的裕量，因为矫顽力系数很陡。忽略冷浸是铁氧体对应的错误。
• 未加限制的故障电流。 逆变器故障或短路产生的磁动势可能远高于筛选电流。冷绕组可能比热绕组汲取更多的故障电流；对于钕铁硼，冷态时 $H_{cj}$ 的升高通常会抵消这一点，但这种抵消应该被检查，而不是被假设。如果故障磁场无法限制，仅靠材料选择无法消除风险。限流、保护控制或机械重新设计必须对其进行限制。
• 气隙大于假设值。 较大的气隙会降低 $P_c$，并使平均工作点移向膝点。如果模型中忽略了涂层厚度和装配累积公差，它们应计入 $g$ 中。
• 仅通过气隙公式评估 IPM 或其他高漏磁几何形状。 无漏磁、无铁磁阻的筛选不能限制磁障、磁桥或磁体拐角处的局部反向场。
• 工作点已经低于膝点。 线性回复公式不描述越过 $H_k$ 后剩余的磁通。事件后的空载电压检查是证明损失不可逆的实际证据。
• 磁体中的涡流加热。 高频谐波或 PWM 纹波可能将实心磁体加热到高于牌号使用的温度。可能需要分段；这源于损耗计算，而不仅仅是负载线。
• 烧结钕铁硼的腐蚀或涂层损坏。 磁性截面的损失会减少磁通，并可能将颗粒释放到电机中。随牌号指定涂层和环境。
• 铁氧体的低温运行。 铁氧体矫顽力在低温下下降。在室温下安全的电流在冷启动时可能不安全。
• 采购过程中的牌号替换。 被称为相似但具有不同 $H_{cj}$、方度或温度系数的牌号会使分析无效。锁定批准的曲线，而不仅仅是目录名称。
• **将线性 $\beta$ 当作测量曲线使用。 在超过约 100 °C 的跨度内，恒定的每度百分比系数可能会对牌号进行错误排序。上述外推是一种筛选，而不是材料属性。
• 作为安全功能的扭矩。** 如果磁通损失会导致制动、驱动或推进失效，则裕量必须纳入该电机的安全案例中。适用哪个标准取决于产品；磁体牌号不能决定这一点。

骏材磁应用团队通过磁路分析、转子磁体组件、原型制作和磁体检测来支持这一设计窗口。

骏材磁应用团队在设定退磁裕量的阶段为电机开发人员提供支持：

• 磁路与结构设计。 针对项目定义的最恶劣温度和电流，对候选材料、磁体厚度和分段进行负载线筛选和有限元评估。
• 特种电机永磁体组件。 多极环、径向环、Halbach 阵列和直线电机磁体组件，在这些组件中，几何形状改变了牌号必须承受的局部反向场。
• 3-7 天快速原型制作。 提供样品，以便在锁定牌号之前在台架测试中检查几何形状与牌号的权衡。
• 永磁体质量检测。 检查交付的部件是否与分析中假设的磁性能相匹配。检测范围和测试条件按项目约定。进料磁体检测不能替代整机级别的退磁审查。

降低设计中电机退磁风险的后续步骤

1. 记录每种可能导致牌号退磁的模式下的磁体温度和峰值或故障电流，包括钕铁硼和钐钴的热过载以及铁氧体的冷启动。
2. 对两到三种候选材料和几何形状运行上述磁导系数筛选。在负载线公式中使用 $H_a=F_a/l_m$。不要将电枢磁动势直接加到空载场上。然后使用有限元分析和测量的 $H_k(T)$ 确认局部场。
3. 要求提供随温度变化的退磁曲线，而不仅仅是室温数据表，并在采购规格书中锁定批准的牌号和曲线。
4. 联系骏材磁应用获取定制磁路设计和快速原型制作服务。 访问 https://www.aicmagnetics.com 申请咨询。团队可以根据该工作循环审查您的工作点、退磁裕量和磁体组件选项。

参考文献

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