永磁电机失磁分析
摘要：永磁电机特别是稀土永磁电机的优良特性使其在航空领域有良好的应用前景。然而永磁电机在恶劣的环境条件下工作时，容易引起电机永磁体的不可逆失磁，从而导致电机性能大幅下降。本文从永磁材料的性能和电机的工作原理入手，分析了稀土永磁电机的永磁体在高温、机械振动、化学腐蚀、交变磁场和时效的作用下的失磁原因，从电机设计和使用的角度提出了减小失磁的措施，并介绍了对永磁体重新充磁的方法和注意事项。
关 键 词：航空永磁电机，稀土永磁电机，失磁分析，充磁
目 次
1 绪论 ........................................................................................................................................ 1
1.1 永磁电机在航空上的应用 ............................................................................................ 1
1.2 航空永磁电机存在的问题 ............................................................................................ 1
2 永磁电机失磁原因分析 ........................................................................................................ 1
2.1 失磁原因概述 ................................................................................................................ 1
2.2 热失磁 ............................................................................................................................ 1
2.2.1 热失磁的原因 ............................................................................................................. 1
2.2.2 衡量永磁材料热稳定性的参数 ................................................................................. 2
2.3 交流失磁 ........................................................................................................................ 3
2.3.1 永磁材料的外磁场稳定性 ......................................................................................... 3
2.3.2 电枢反应引起永磁体失磁的机理 ............................................................................. 3
2.3.3 高频交变磁场环境对失磁效应的影响 ..................................................................... 5
2.4 化学腐蚀失磁 ................................................................................................................ 6
2.4.1 永磁材料的化学稳定性 ............................................................................................. 6
2.4.2 氧化和腐蚀的机理 ..................................................................................................... 6
2.5 振动失磁 ........................................................................................................................ 6
2.6 时效失磁 ........................................................................................................................ 7
2.6.1 永磁材料的时间稳定性 ............................................................................................. 7
2.6.2 永磁材料的老化现象 ................................................................................................. 7
2.7 接触失磁 ........................................................................................................................ 7
3减小电机永磁体失磁的措施 ................................................................................................. 1
3.1 减小材料本身的原因引起的失磁 ................................................................................ 1
3.1.1 添加合金元素 ............................................................................................................. 1
3.1.2 表面处理 ..................................................................................................................... 1
3.2 减小电机设计的原因引起的失磁 ................................................................................ 2
3.2.1 选择合适的永磁材料 ................................................................................................. 2
3.2.2 正确预测电机温升 ..................................................................................................... 2
3.2.3 正确选择电机永磁体的工作点 ................................................................................. 3
3.2.4 采用可提高电机抗去磁能力的结构设计 ................................................................. 4
3.3 永磁电机在实际使用时减小失磁的措施 .................................................................... 6
3.3.1 稳磁处理 ..................................................................................................................... 6
3.3.2 防止接触失磁 ............................................................................................................. 6
4对永磁体重新充磁的方法和注意事项 ................................................................................. 1
4.1 失磁程度的判定 ............................................................................................................ 1
4.2 充磁方法 ........................................................................................................................ 1
4.2.1 充磁原理 ..................................................................................................................... 1
4.2.2 充磁过程中的注意事项 ............................................................................................. 2
结束语 ........................................................................................................................................ 5
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αBr表示，单位为K-1。
'B1-B0αBr='⨯100% B0(t1-t0)
永磁体內禀矫顽力随温度可逆变化的程度用温度系数αHcj表示，单位为K-1。
αH=cj'Hcj-HcjH(t1-t0)'cj⨯100%
温度恢复后磁性能的不可逆损失，用损失率IL表示。
'B0-B0IL=⨯100% B0
从电机使用的角度看，αBr、αHcj、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φ10mm×7mm）的样品加热到某一恒定温度，长时间放臵（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，若初始工作点设臵不当，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：
Fa'=ΛδF=a（σ0为空载漏磁系数）……（2.3.2）
Λδ+Λσσ0
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Fm Fa'（Fa'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
。当负载电流变化时，电枢反应的等效去Fa'距离（增磁合成磁导线右移，去磁则左移）
磁磁动势Fa' 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：
/r=2MH
其中：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臵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，畴壁脱离平衡位臵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臵并保持稳定，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：
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，在室温下长期放臵，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臵，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。比如：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大，因此进行工作点计算时，要根据材料的实测退磁曲线将材料在室温下的磁性能指标（Br、Hc等）换算到工作温度时的数值，并以此为基值进行计算。考虑到高温对材料退磁曲线的影响，还要对电机最高工作温度进行预测和限定。
下面以永磁直流电动机为例，说明确定永磁体工作点时的注意事项。
永磁体的最大去磁工作点取决于电枢反应的最大去磁磁动势，最大去磁磁动势取决于电机可能产生的最大瞬时电流，由永磁电动机的基本电压方程：
U=Ea+IaRa+∆Ub
U：电机端电压；Ra：电枢回路内阻；△Ub：一对电刷的接触压降
可得以下几种特殊工作状态下的电枢电流值：
1、电动机起动：在加电压的初瞬间，转子由于惯性来不及转动，n=0，Ea=0，由电压平衡方程可得起动时最大瞬时电流，同时也是堵转电流：
Imax = （U-△Ub)/Ra
2、突然停转：突然停转是指电动机在电压U下正常运行时，突然将其断电，此时电枢电压U=0。在U=0的初瞬间，由于转子惯性，电动机转速n来不及变化，相应的反电动势Ea也不变，因此突然停转时最大瞬时电流：
Imax = （-Ea +△Ub)/Ra
3、突然反转：突然反转是指电枢电压由+U突然变到-U，而由于转子惯性，n和Ea都来不及变化，此时的最大瞬时电流：
Imax = （U+ Ea -△Ub)/Ra
由上述几种特殊工作状态下的负载电流得出作用于永磁体上的最大去磁磁动势，并求出此时永磁体的工作点，看其是否位于最高工作温度下永磁体退磁曲线的拐点之上。若在拐点之下，需对电机磁路设计进行调整，使其位于拐点之上，并留有一定余量。
永磁体工作点的计算方法有传统的等效磁路解析法和电磁场数值分析计算法。由于等效磁路法的前提是把空间实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近
似认为在每段磁路中磁通沿截面和长度均匀分布，从而将磁场的计算转化为磁路的计算。所以用等效磁路法得到的最大去磁工作点是一个平均值。而事实上，在永磁体内不同单元的工作点是不同的，即永磁体的工作点具有局部性。因此采用等效磁路法进行工作点去磁校核，电机永磁体仍可能会发生局部失磁。
电磁场数值分析法中应用最广泛的是有限元法，有限元法的基础是对电机内部的磁场进行网格剖分，将其分成有限个小单元，并且不同的部位采用不同的分割方法，然后对每一个小单元进行数值分析，最后列出方程组求解，求解过程可借助计算机实现。运用有限元分析法进行磁场分析，可较好地反映永磁电机内部磁场分布的实际情况。所以用有限元法求得最大去磁磁势下永磁体的最低局部工作点，并以此进行去磁校核，可在很大程度上避免电机局部失磁。
3.2.4 采用可提高电机抗去磁能力的结构设计
永磁电机的结构设计包括定、转子型态的设计、永磁体尺寸的设计、气隙长度的选择、电枢绕组的设计以及定、转子槽的设计和槽数的选择等。电机的结构决定了电机内部的磁路结构和电机的性能参数，因此结构设计是电机中最重要也最困难的环节。本节探讨了有利于减小电机永磁体失磁的结构设计方案，旨在为电机整体设计过程中，通过优化结构减小失磁提供思路和努力的方向。
一、减小电机温升
1、通过加强散热措施来减小温升
通过加装散热装臵和选用导热性良好的材料制作电机壳体可改善电机的散热条件。永磁无刷直流电动机有外转子和内转子两种结构，对于内转子结构，由于将发热的电枢绕组装在外围的定子上，散热相对容易；对于外转子结构的电机，虽然提高了性能，但恶化了电机散热条件，因此尤其需要加强散热处理。
2、通过减小电机运行过程中的能量损耗来减小温升
由3.2.2节知道，电机的能量损耗主要包括电枢绕组的铜耗、铁心损耗、永磁体内的涡流损耗和高速无刷电机中转子的风摩损耗。其中，减小铜耗可通过增大导线的截面积，减小导线电阻实现，但这样会使电机体积和质量变大。减小铁耗可通过选用材质较好的硅钢片压制的铁心来实现。减小风摩损耗可通过增大气隙、减小转子表面粗糙程度、减小转子直径和转轴长度等方法来实现。永磁体内的涡流损耗是由谐波引起的，所以可通过减少谐波来减小涡流损耗。具体可通过选取合适的定、转子槽配合、增大气隙长度（但气隙长度增大同时会引起永磁体抗电枢反应的去磁能力变弱） 、采用正弦绕组、合理设计极弧系数、减小槽开口宽度或采用闭口槽等措施实现。另外，也可采用对永磁体分块的方法减小永磁体中的涡流损耗，但这样对永磁体的加工、充磁和装配提出了更高的要求。
二、增大空载漏磁系数
由式2.3.2：Fa'= ΛδF=a，可得增大漏磁导Λσ可增大空载漏磁系数σ0，空载漏Λδ+Λσσ0
磁系数越大，对电枢反应的分流作用就越大，电枢反应对永磁体两端的实际作用值Fa'就越小，即电枢反应的去磁磁动势对永磁体的影响就越小。但是σ0较大时，永磁体的利用
率就较差，因此设计时要综合考虑，选取合适的σ0值。
三、给永磁磁极加装极靴
无极靴结构的磁极，永磁体直接面向气隙，漏磁系数小，能产生尽可能多的磁通，材料利用率高。但是是电枢反应直接作用于永磁磁极，容易引起不可逆失磁。有极靴结构时，如图3.2.4-1所示，交轴电枢反应磁通经极靴闭合，对永磁磁极的影响较小，同时又可起聚磁作用，提高气隙磁密。但是其结构复杂，制造成本增加，漏磁系数较大，负载时气隙磁场的畸变较大。
四、采用组合磁极结构
永磁直流电动机交轴电枢磁动势对磁极的一半起增磁作用，另一半起去磁作用。利用这个特点，对于旋转方向固定的永磁直流电动机，可以采用两种材料制成的组合磁极
结构，即在每个极的去磁区用抗去磁能力强的永磁材料，而在增磁区则用性能较低而价格便宜的永磁材料。如图3.2.4-2为钕铁硼—铁氧体组合结构示意图。采用此类组合式结构，可以在保证电机性能的前提下，减少永磁体失磁程度，并降低成本，但缺点是制造工艺较复杂。
五、增大永磁体的磁化方向长度，进而增大永磁体的抗去磁能力
永磁体的磁化方向长度越大，其抗去磁能力就越强，但是磁化方向长度过大不但会造成永磁材料的要浪费，增加成本，而且会给电机磁路设计带来不便。
减小电机失磁的结构设计有很多，但是某些措施的采取会影响电机的其他性能，所以电机设计过程中要统筹兼顾，使电机综合性能达到最佳。
3.3 永磁电机在实际使用时减小失磁的措施
3.3.1 稳磁处理
稳磁处理又叫老化处理，在电机使用以前，通过对永磁体的老化处理，预先消除一部分可预测的不可逆失磁。
一、人工时效处理
把永磁体保持在高于常温的某一温度下一定时间，以加速自然时效过程，预先消除因自然时效引起的失磁。饱和充磁后的永磁体，经一定程度的人工时效处理后，其磁性能几乎不再随时间推移而下降。
二、高温稳磁处理
根据规定，永磁材料由室温升到最高工作温度并保温一定时间（一般为2~4小时）后再冷却到室温，其开路磁通允许有不大于5%的不可逆损失。为了保证永磁电机在运行过程中性能稳定，在新电机或重新充磁的电机使用前，可先进行高温稳磁处理，以预先消除这部分不可逆损失。
三、交流退磁处理
将充磁后的永磁体臵于一定频率的交变磁场中，进行交流退磁处理，退磁量要适当，一般为5%~10%，以增强永磁体在交变磁场环境中的磁稳定性。
稳磁处理是以损失永磁体一部分磁性能为代价的，所以要根据电机性能的要求，确定稳磁处理的程度。稳磁处理要在与永磁体所处工作环境相似的条件下进行。
3.3.2 防止接触失磁
在永磁电机的装配和使用过程中，应禁止电机永磁体接触或靠近强磁性体，从而避免接触失磁。另外在永磁体表面涂上非磁性膜，用非磁性材料进行磁屏蔽，可显著减小接触失磁效应。
4对永磁体重新充磁的方法和注意事项
4.1 失磁程度的判定
以永磁直流电动机为例，电机失磁以后，永磁体的剩余磁感应强度下降，电机每极气隙磁通量减少，由转矩计算公式：Tem=pNϕIa=CTϕIa可得电机的输出转矩减少，电2πa
机性能下降。如果失磁严重，电机将可能因不能驱动负载而造成堵转，使负载电流过大，甚至会烧毁电机。随着永磁电机使用时间的增长，永磁体的老化是不可避免的。因此，及时对永磁体失磁程度进行判定，对航空产品的可靠性和安全性非常重要。通常情况下可依据经验确定电机使用多长时间后，需要对其进行检测。检测的方法如下：
一、空载试验 对于直流永磁电动机，由空载转速公式n0=U-∆Ub得：电机永磁体失磁，将引起空Ceφ
载转速升高，且失磁程度越大，转速升高越多。用空载试验进行检测可不必对电机进行拆解，操作简单，所以当估计电机可能发生失磁故障时，可先用空载试验进行验证。
二、仪表检测
用磁通表可检测电机的每极磁通量，用特斯拉计可检测电机气隙、磁体的表面和距磁体一定距离处的磁场强度， 用直流磁特性测试仪可同时测试永磁体的剩磁、矫顽力和最大磁能积。仪表检测需将电机进行拆解，并可精确测出电机永磁体的失磁量。
4.2 充磁方法
本节以电容放电脉冲式充磁装臵为例，对充磁原理进行简单介绍，并指出对失磁的永磁体进行重新充磁时的注意事项。
4.2.1 充磁原理
永磁电机是依靠永磁体充磁后的剩磁产生的气隙磁场来工作的，所以永磁体的充磁质量（包括磁化极区的宽度、磁化极区的磁密分布、磁化方向及磁化强度等），对电机性能有很大影响。对永磁体充磁是通过外加磁场的磁化作用实现的，外加磁场通常由充磁电源与充磁夹具产生，充磁电源通常又分为直流式与电容脉冲式两种。直流式充磁装臵所能产生的充磁磁场能量较低，仅用于对矫顽力不高的永磁体进行充磁。而稀土永磁材料的矫顽力很高，需要强大的充磁磁场能量才能使其达到磁饱和。所以对稀土永磁体进行充磁，一般采用电容放电脉冲式充磁装臵。脉冲充磁电路一般由供电系统、充电系统、储能电容、放电系统、充电线圈、监视系统、控制系统七部分组成，各部分关系见图4.2.1-1。
实际的充磁电路可简化成图4.2.1-2所示电路。220V、50Hz交流电由双向晶闸管lV控制，经整流变压器T升压、二极管2V整流后对电容C充电，将能量储存起来；充磁时，控制晶闸管3V导通，使能量在极短的时间内通过模具线圈L释放出来，形成强脉冲磁场，对永磁体进行充磁。充磁磁场的强度与电容放电电流即磁化电流大小有关，充磁磁场的持续时间与电容放电时间即磁化时间长短有关。
4.2.2 充磁过程中的注意事项
一、正确选择充磁方向
形状完全相同的永磁体，若充磁方向不同，则其磁化方向不同，进而永磁电机气隙内的磁场分布便不同。因为永磁电机在设计时，气隙内的磁场分布便已经确定，如果未按正确的方向对永磁体进行充磁，会改变电机气隙磁场分布，严重影响电机性能，甚至可能使充磁失败。如图4.2.2-1是表贴式永磁体的三种不同充磁方向的比较。径向充磁时永磁体的磁化方向沿转子半径向内或向外辐射，磁体沿圆周各点磁化方向长度相等；平行充磁的磁体磁化方向平行于磁体中心线，磁体的磁化方向长度在磁体中心线处与径向
充磁相等，左右两边先增加后减小；Halbach （海尔贝克）磁化结构的每极磁体分成多块，每块磁体的充磁方向不同。
二、准确计算充磁能量
对永磁体充磁以前，需要准确计算充磁能量，以确定充磁电压和充磁装臵电容器的容量。永磁材料磁化达到饱和所需的计算充磁能量E为：
1E= 0H2
sV 2
式中： μo—真空磁导率
Hs—材料饱和磁场强度
V—永磁体的体积
由于实际充磁过程中总是存在能量的损耗（包括：充磁装臵的线路损耗、磁路损耗及永磁体的涡流损耗和磁滞损耗等），在计算充磁能量时这些损耗是不能忽略的。所以对于电容放电脉冲式充磁装臵充磁能量应满足下列基本关系：
Ac=E+Ar+Ahr+Aw 1式中：Ac=CU2——电容器的储能 2
Ar——充磁装臵线路损耗
Ahr——充磁装臵的磁路损耗
Aw——涡流损耗与磁滞损耗
C ——充磁装臵电容器容量
U ——电容器端电压
将稀土永磁体磁化到完全饱和很难做到，实验表明使稀土永磁体达到磁饱和所需的
能量是将其磁化到它的饱和磁场强度的90%所需能量的5倍以上。所以在工业生产中，对永磁体充磁并不追求绝对的饱和磁化，在满足电机性能要求的前提下，只要将永磁体磁化到它的饱和磁场强度的90%以上即可。
三、考虑永磁体对磁化电流波形的影响
充磁磁场的强度与持续时间由脉冲电流的幅值和脉宽决定。当充电电压、电容器容量确定后，脉冲电流波形主要由充磁线圈的电感 L决定。但 L在充磁时不是一个常量，因为充磁线圈的电感随线圈的工作状态将发生变化，空载和负载时不同，负载时又因被充磁体的磁导率和体积的不同而不同，当被充磁体放入充磁线圈时，充磁线圈的电感L会发生明显变化。由电路理论，充磁回路可看成是一个如图4.2.2-2所示的典型二阶零输入响应电路，不计回路电阻，即R=0，则电流响应第一个脉冲波的幅值im和宽度td可计算得：
im=
td=
可见L的变化会引起im和td的变化，因此在计算充磁场强和持续时间时，应同时考虑充磁线圈和被充磁体组合后的状况，否则可能会因充磁磁场强度不够或磁化时间过短而使永磁体充磁后的剩余磁感应强度不达标。
四、其他注意事项
在脉冲充磁过程中， 线圈和磁体相互作用，同时受到力的冲击，所以应保证充磁装臵有较强的机械强度。充磁前应将磁体牢靠固定，以免充磁过程中磁体从磁场中飞出，并应充磁头周围空间进行清理，以免周围的磁体和工具受到吸引或被误充磁。又由于充磁过程中会产生高电压和大脉冲电流，所以必须考虑装臵的电气绝缘强度。充磁机应接在有保护导线的电源上，连接导线也必须能经受住高电压的冲击。在运输和安装已充磁的永磁体时，要严禁永磁体接触铁磁性物体或永磁体相互接触，避免接触失磁。
结束语
本文介绍了永磁电机在航空上的应用，以钕铁硼稀土永磁电机为例对永磁电机的失磁原因进行了详细分析，提出了减小失磁的措施，并对充磁原理和充磁过程中的注意事项进行了简单说明。
永磁电机永磁体的失磁原因可概括分为以下三种情况：
一、材料本身的原因引起的失磁
二、电机设计的原因引起的失磁
三、电机使用不当引起的失磁
永磁体失磁的机理分两种，一种是磁畴结构的变化，这种变化是可恢复的；另一种是永磁体组织结构的变化，这种变化是不可恢复的。引起永磁体失磁的环境因素主要有：高温、交变磁场、化学腐蚀、机械振动以及时间效应。
减小失磁的措施主要有：
一、通过添加合金元素和表面涂层处理等方法改良永磁体制造工艺，从而减小材料本身的原因引起的失磁。
二、在电机设计的过程中要选择合适的永磁材料，正确预测电机温升，正确选择电机永磁体的工作点，并尽量采用有助于提高电机抗去磁能力的结构设计。
三、在电机使用的过程时要进行稳磁处理，并避免接触失磁。
当永磁电机出现失磁故障时，首先要对失磁程度进行判定，方法有空载实验和仪表检测两种。对稀土永磁体进行充磁多采用电容放电脉冲式充磁装臵，充磁时要选对磁体的充磁方向，正确计算充磁能量、充磁场强和充磁时间。
永磁电机失磁分析
摘要：永磁电机特别是稀土永磁电机的优良特性使其在航空领域有良好的应用前景。然而永磁电机在恶劣的环境条件下工作时，容易引起电机永磁体的不可逆失磁，从而导致电机性能大幅下降。本文从永磁材料的性能和电机的工作原理入手，分析了稀土永磁电机的永磁体在高温、机械振动、化学腐蚀、交变磁场和时效的作用下的失磁原因，从电机设计和使用的角度提出了减小失磁的措施，并介绍了对永磁体重新充磁的方法和注意事项。
关 键 词：航空永磁电机，稀土永磁电机，失磁分析，充磁
目 次
1 绪论 ........................................................................................................................................ 1
1.1 永磁电机在航空上的应用 ............................................................................................ 1
1.2 航空永磁电机存在的问题 ............................................................................................ 1
2 永磁电机失磁原因分析 ........................................................................................................ 1
2.1 失磁原因概述 ................................................................................................................ 1
2.2 热失磁 ............................................................................................................................ 1
2.2.1 热失磁的原因 ............................................................................................................. 1
2.2.2 衡量永磁材料热稳定性的参数 ................................................................................. 2
2.3 交流失磁 ........................................................................................................................ 3
2.3.1 永磁材料的外磁场稳定性 ......................................................................................... 3
2.3.2 电枢反应引起永磁体失磁的机理 ............................................................................. 3
2.3.3 高频交变磁场环境对失磁效应的影响 ..................................................................... 5
2.4 化学腐蚀失磁 ................................................................................................................ 6
2.4.1 永磁材料的化学稳定性 ............................................................................................. 6
2.4.2 氧化和腐蚀的机理 ..................................................................................................... 6
2.5 振动失磁 ........................................................................................................................ 6
2.6 时效失磁 ........................................................................................................................ 7
2.6.1 永磁材料的时间稳定性 ............................................................................................. 7
2.6.2 永磁材料的老化现象 ................................................................................................. 7
2.7 接触失磁 ........................................................................................................................ 7
3减小电机永磁体失磁的措施 ................................................................................................. 1
3.1 减小材料本身的原因引起的失磁 ................................................................................ 1
3.1.1 添加合金元素 ............................................................................................................. 1
3.1.2 表面处理 ..................................................................................................................... 1
3.2 减小电机设计的原因引起的失磁 ................................................................................ 2
3.2.1 选择合适的永磁材料 ................................................................................................. 2
3.2.2 正确预测电机温升 ..................................................................................................... 2
3.2.3 正确选择电机永磁体的工作点 ................................................................................. 3
3.2.4 采用可提高电机抗去磁能力的结构设计 ................................................................. 4
3.3 永磁电机在实际使用时减小失磁的措施 .................................................................... 6
3.3.1 稳磁处理 ..................................................................................................................... 6
3.3.2 防止接触失磁 ............................................................................................................. 6
4对永磁体重新充磁的方法和注意事项 ................................................................................. 1
4.1 失磁程度的判定 ............................................................................................................ 1
4.2 充磁方法 ........................................................................................................................ 1
4.2.1 充磁原理 ..................................................................................................................... 1
4.2.2 充磁过程中的注意事项 ............................................................................................. 2
结束语 ........................................................................................................................................ 5
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αBr表示，单位为K-1。
'B1-B0αBr='⨯100% B0(t1-t0)
永磁体內禀矫顽力随温度可逆变化的程度用温度系数αHcj表示，单位为K-1。
αH=cj'Hcj-HcjH(t1-t0)'cj⨯100%
温度恢复后磁性能的不可逆损失，用损失率IL表示。
'B0-B0IL=⨯100% B0
从电机使用的角度看，αBr、αHcj、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φ10mm×7mm）的样品加热到某一恒定温度，长时间放臵（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，若初始工作点设臵不当，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：
Fa'=ΛδF=a（σ0为空载漏磁系数）……（2.3.2）
Λδ+Λσσ0
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Fm Fa'（Fa'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
。当负载电流变化时，电枢反应的等效去Fa'距离（增磁合成磁导线右移，去磁则左移）
磁磁动势Fa' 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：
/r=2MH
其中：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臵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，畴壁脱离平衡位臵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臵并保持稳定，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：
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，在室温下长期放臵，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臵，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。比如：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大，因此进行工作点计算时，要根据材料的实测退磁曲线将材料在室温下的磁性能指标（Br、Hc等）换算到工作温度时的数值，并以此为基值进行计算。考虑到高温对材料退磁曲线的影响，还要对电机最高工作温度进行预测和限定。
下面以永磁直流电动机为例，说明确定永磁体工作点时的注意事项。
永磁体的最大去磁工作点取决于电枢反应的最大去磁磁动势，最大去磁磁动势取决于电机可能产生的最大瞬时电流，由永磁电动机的基本电压方程：
U=Ea+IaRa+∆Ub
U：电机端电压；Ra：电枢回路内阻；△Ub：一对电刷的接触压降
可得以下几种特殊工作状态下的电枢电流值：
1、电动机起动：在加电压的初瞬间，转子由于惯性来不及转动，n=0，Ea=0，由电压平衡方程可得起动时最大瞬时电流，同时也是堵转电流：
Imax = （U-△Ub)/Ra
2、突然停转：突然停转是指电动机在电压U下正常运行时，突然将其断电，此时电枢电压U=0。在U=0的初瞬间，由于转子惯性，电动机转速n来不及变化，相应的反电动势Ea也不变，因此突然停转时最大瞬时电流：
Imax = （-Ea +△Ub)/Ra
3、突然反转：突然反转是指电枢电压由+U突然变到-U，而由于转子惯性，n和Ea都来不及变化，此时的最大瞬时电流：
Imax = （U+ Ea -△Ub)/Ra
由上述几种特殊工作状态下的负载电流得出作用于永磁体上的最大去磁磁动势，并求出此时永磁体的工作点，看其是否位于最高工作温度下永磁体退磁曲线的拐点之上。若在拐点之下，需对电机磁路设计进行调整，使其位于拐点之上，并留有一定余量。
永磁体工作点的计算方法有传统的等效磁路解析法和电磁场数值分析计算法。由于等效磁路法的前提是把空间实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近
似认为在每段磁路中磁通沿截面和长度均匀分布，从而将磁场的计算转化为磁路的计算。所以用等效磁路法得到的最大去磁工作点是一个平均值。而事实上，在永磁体内不同单元的工作点是不同的，即永磁体的工作点具有局部性。因此采用等效磁路法进行工作点去磁校核，电机永磁体仍可能会发生局部失磁。
电磁场数值分析法中应用最广泛的是有限元法，有限元法的基础是对电机内部的磁场进行网格剖分，将其分成有限个小单元，并且不同的部位采用不同的分割方法，然后对每一个小单元进行数值分析，最后列出方程组求解，求解过程可借助计算机实现。运用有限元分析法进行磁场分析，可较好地反映永磁电机内部磁场分布的实际情况。所以用有限元法求得最大去磁磁势下永磁体的最低局部工作点，并以此进行去磁校核，可在很大程度上避免电机局部失磁。
3.2.4 采用可提高电机抗去磁能力的结构设计
永磁电机的结构设计包括定、转子型态的设计、永磁体尺寸的设计、气隙长度的选择、电枢绕组的设计以及定、转子槽的设计和槽数的选择等。电机的结构决定了电机内部的磁路结构和电机的性能参数，因此结构设计是电机中最重要也最困难的环节。本节探讨了有利于减小电机永磁体失磁的结构设计方案，旨在为电机整体设计过程中，通过优化结构减小失磁提供思路和努力的方向。
一、减小电机温升
1、通过加强散热措施来减小温升
通过加装散热装臵和选用导热性良好的材料制作电机壳体可改善电机的散热条件。永磁无刷直流电动机有外转子和内转子两种结构，对于内转子结构，由于将发热的电枢绕组装在外围的定子上，散热相对容易；对于外转子结构的电机，虽然提高了性能，但恶化了电机散热条件，因此尤其需要加强散热处理。
2、通过减小电机运行过程中的能量损耗来减小温升
由3.2.2节知道，电机的能量损耗主要包括电枢绕组的铜耗、铁心损耗、永磁体内的涡流损耗和高速无刷电机中转子的风摩损耗。其中，减小铜耗可通过增大导线的截面积，减小导线电阻实现，但这样会使电机体积和质量变大。减小铁耗可通过选用材质较好的硅钢片压制的铁心来实现。减小风摩损耗可通过增大气隙、减小转子表面粗糙程度、减小转子直径和转轴长度等方法来实现。永磁体内的涡流损耗是由谐波引起的，所以可通过减少谐波来减小涡流损耗。具体可通过选取合适的定、转子槽配合、增大气隙长度（但气隙长度增大同时会引起永磁体抗电枢反应的去磁能力变弱） 、采用正弦绕组、合理设计极弧系数、减小槽开口宽度或采用闭口槽等措施实现。另外，也可采用对永磁体分块的方法减小永磁体中的涡流损耗，但这样对永磁体的加工、充磁和装配提出了更高的要求。
二、增大空载漏磁系数
由式2.3.2：Fa'= ΛδF=a，可得增大漏磁导Λσ可增大空载漏磁系数σ0，空载漏Λδ+Λσσ0
磁系数越大，对电枢反应的分流作用就越大，电枢反应对永磁体两端的实际作用值Fa'就越小，即电枢反应的去磁磁动势对永磁体的影响就越小。但是σ0较大时，永磁体的利用
率就较差，因此设计时要综合考虑，选取合适的σ0值。
三、给永磁磁极加装极靴
无极靴结构的磁极，永磁体直接面向气隙，漏磁系数小，能产生尽可能多的磁通，材料利用率高。但是是电枢反应直接作用于永磁磁极，容易引起不可逆失磁。有极靴结构时，如图3.2.4-1所示，交轴电枢反应磁通经极靴闭合，对永磁磁极的影响较小，同时又可起聚磁作用，提高气隙磁密。但是其结构复杂，制造成本增加，漏磁系数较大，负载时气隙磁场的畸变较大。
四、采用组合磁极结构
永磁直流电动机交轴电枢磁动势对磁极的一半起增磁作用，另一半起去磁作用。利用这个特点，对于旋转方向固定的永磁直流电动机，可以采用两种材料制成的组合磁极
结构，即在每个极的去磁区用抗去磁能力强的永磁材料，而在增磁区则用性能较低而价格便宜的永磁材料。如图3.2.4-2为钕铁硼—铁氧体组合结构示意图。采用此类组合式结构，可以在保证电机性能的前提下，减少永磁体失磁程度，并降低成本，但缺点是制造工艺较复杂。
五、增大永磁体的磁化方向长度，进而增大永磁体的抗去磁能力
永磁体的磁化方向长度越大，其抗去磁能力就越强，但是磁化方向长度过大不但会造成永磁材料的要浪费，增加成本，而且会给电机磁路设计带来不便。
减小电机失磁的结构设计有很多，但是某些措施的采取会影响电机的其他性能，所以电机设计过程中要统筹兼顾，使电机综合性能达到最佳。
3.3 永磁电机在实际使用时减小失磁的措施
3.3.1 稳磁处理
稳磁处理又叫老化处理，在电机使用以前，通过对永磁体的老化处理，预先消除一部分可预测的不可逆失磁。
一、人工时效处理
把永磁体保持在高于常温的某一温度下一定时间，以加速自然时效过程，预先消除因自然时效引起的失磁。饱和充磁后的永磁体，经一定程度的人工时效处理后，其磁性能几乎不再随时间推移而下降。
二、高温稳磁处理
根据规定，永磁材料由室温升到最高工作温度并保温一定时间（一般为2~4小时）后再冷却到室温，其开路磁通允许有不大于5%的不可逆损失。为了保证永磁电机在运行过程中性能稳定，在新电机或重新充磁的电机使用前，可先进行高温稳磁处理，以预先消除这部分不可逆损失。
三、交流退磁处理
将充磁后的永磁体臵于一定频率的交变磁场中，进行交流退磁处理，退磁量要适当，一般为5%~10%，以增强永磁体在交变磁场环境中的磁稳定性。
稳磁处理是以损失永磁体一部分磁性能为代价的，所以要根据电机性能的要求，确定稳磁处理的程度。稳磁处理要在与永磁体所处工作环境相似的条件下进行。
3.3.2 防止接触失磁
在永磁电机的装配和使用过程中，应禁止电机永磁体接触或靠近强磁性体，从而避免接触失磁。另外在永磁体表面涂上非磁性膜，用非磁性材料进行磁屏蔽，可显著减小接触失磁效应。
4对永磁体重新充磁的方法和注意事项
4.1 失磁程度的判定
以永磁直流电动机为例，电机失磁以后，永磁体的剩余磁感应强度下降，电机每极气隙磁通量减少，由转矩计算公式：Tem=pNϕIa=CTϕIa可得电机的输出转矩减少，电2πa
机性能下降。如果失磁严重，电机将可能因不能驱动负载而造成堵转，使负载电流过大，甚至会烧毁电机。随着永磁电机使用时间的增长，永磁体的老化是不可避免的。因此，及时对永磁体失磁程度进行判定，对航空产品的可靠性和安全性非常重要。通常情况下可依据经验确定电机使用多长时间后，需要对其进行检测。检测的方法如下：
一、空载试验 对于直流永磁电动机，由空载转速公式n0=U-∆Ub得：电机永磁体失磁，将引起空Ceφ
载转速升高，且失磁程度越大，转速升高越多。用空载试验进行检测可不必对电机进行拆解，操作简单，所以当估计电机可能发生失磁故障时，可先用空载试验进行验证。
二、仪表检测
用磁通表可检测电机的每极磁通量，用特斯拉计可检测电机气隙、磁体的表面和距磁体一定距离处的磁场强度， 用直流磁特性测试仪可同时测试永磁体的剩磁、矫顽力和最大磁能积。仪表检测需将电机进行拆解，并可精确测出电机永磁体的失磁量。
4.2 充磁方法
本节以电容放电脉冲式充磁装臵为例，对充磁原理进行简单介绍，并指出对失磁的永磁体进行重新充磁时的注意事项。
4.2.1 充磁原理
永磁电机是依靠永磁体充磁后的剩磁产生的气隙磁场来工作的，所以永磁体的充磁质量（包括磁化极区的宽度、磁化极区的磁密分布、磁化方向及磁化强度等），对电机性能有很大影响。对永磁体充磁是通过外加磁场的磁化作用实现的，外加磁场通常由充磁电源与充磁夹具产生，充磁电源通常又分为直流式与电容脉冲式两种。直流式充磁装臵所能产生的充磁磁场能量较低，仅用于对矫顽力不高的永磁体进行充磁。而稀土永磁材料的矫顽力很高，需要强大的充磁磁场能量才能使其达到磁饱和。所以对稀土永磁体进行充磁，一般采用电容放电脉冲式充磁装臵。脉冲充磁电路一般由供电系统、充电系统、储能电容、放电系统、充电线圈、监视系统、控制系统七部分组成，各部分关系见图4.2.1-1。
实际的充磁电路可简化成图4.2.1-2所示电路。220V、50Hz交流电由双向晶闸管lV控制，经整流变压器T升压、二极管2V整流后对电容C充电，将能量储存起来；充磁时，控制晶闸管3V导通，使能量在极短的时间内通过模具线圈L释放出来，形成强脉冲磁场，对永磁体进行充磁。充磁磁场的强度与电容放电电流即磁化电流大小有关，充磁磁场的持续时间与电容放电时间即磁化时间长短有关。
4.2.2 充磁过程中的注意事项
一、正确选择充磁方向
形状完全相同的永磁体，若充磁方向不同，则其磁化方向不同，进而永磁电机气隙内的磁场分布便不同。因为永磁电机在设计时，气隙内的磁场分布便已经确定，如果未按正确的方向对永磁体进行充磁，会改变电机气隙磁场分布，严重影响电机性能，甚至可能使充磁失败。如图4.2.2-1是表贴式永磁体的三种不同充磁方向的比较。径向充磁时永磁体的磁化方向沿转子半径向内或向外辐射，磁体沿圆周各点磁化方向长度相等；平行充磁的磁体磁化方向平行于磁体中心线，磁体的磁化方向长度在磁体中心线处与径向
充磁相等，左右两边先增加后减小；Halbach （海尔贝克）磁化结构的每极磁体分成多块，每块磁体的充磁方向不同。
二、准确计算充磁能量
对永磁体充磁以前，需要准确计算充磁能量，以确定充磁电压和充磁装臵电容器的容量。永磁材料磁化达到饱和所需的计算充磁能量E为：
1E= 0H2
sV 2
式中： μo—真空磁导率
Hs—材料饱和磁场强度
V—永磁体的体积
由于实际充磁过程中总是存在能量的损耗（包括：充磁装臵的线路损耗、磁路损耗及永磁体的涡流损耗和磁滞损耗等），在计算充磁能量时这些损耗是不能忽略的。所以对于电容放电脉冲式充磁装臵充磁能量应满足下列基本关系：
Ac=E+Ar+Ahr+Aw 1式中：Ac=CU2——电容器的储能 2
Ar——充磁装臵线路损耗
Ahr——充磁装臵的磁路损耗
Aw——涡流损耗与磁滞损耗
C ——充磁装臵电容器容量
U ——电容器端电压
将稀土永磁体磁化到完全饱和很难做到，实验表明使稀土永磁体达到磁饱和所需的
能量是将其磁化到它的饱和磁场强度的90%所需能量的5倍以上。所以在工业生产中，对永磁体充磁并不追求绝对的饱和磁化，在满足电机性能要求的前提下，只要将永磁体磁化到它的饱和磁场强度的90%以上即可。
三、考虑永磁体对磁化电流波形的影响
充磁磁场的强度与持续时间由脉冲电流的幅值和脉宽决定。当充电电压、电容器容量确定后，脉冲电流波形主要由充磁线圈的电感 L决定。但 L在充磁时不是一个常量，因为充磁线圈的电感随线圈的工作状态将发生变化，空载和负载时不同，负载时又因被充磁体的磁导率和体积的不同而不同，当被充磁体放入充磁线圈时，充磁线圈的电感L会发生明显变化。由电路理论，充磁回路可看成是一个如图4.2.2-2所示的典型二阶零输入响应电路，不计回路电阻，即R=0，则电流响应第一个脉冲波的幅值im和宽度td可计算得：
im=
td=
可见L的变化会引起im和td的变化，因此在计算充磁场强和持续时间时，应同时考虑充磁线圈和被充磁体组合后的状况，否则可能会因充磁磁场强度不够或磁化时间过短而使永磁体充磁后的剩余磁感应强度不达标。
四、其他注意事项
在脉冲充磁过程中， 线圈和磁体相互作用，同时受到力的冲击，所以应保证充磁装臵有较强的机械强度。充磁前应将磁体牢靠固定，以免充磁过程中磁体从磁场中飞出，并应充磁头周围空间进行清理，以免周围的磁体和工具受到吸引或被误充磁。又由于充磁过程中会产生高电压和大脉冲电流，所以必须考虑装臵的电气绝缘强度。充磁机应接在有保护导线的电源上，连接导线也必须能经受住高电压的冲击。在运输和安装已充磁的永磁体时，要严禁永磁体接触铁磁性物体或永磁体相互接触，避免接触失磁。
结束语
本文介绍了永磁电机在航空上的应用，以钕铁硼稀土永磁电机为例对永磁电机的失磁原因进行了详细分析，提出了减小失磁的措施，并对充磁原理和充磁过程中的注意事项进行了简单说明。
永磁电机永磁体的失磁原因可概括分为以下三种情况：
一、材料本身的原因引起的失磁
二、电机设计的原因引起的失磁
三、电机使用不当引起的失磁
永磁体失磁的机理分两种，一种是磁畴结构的变化，这种变化是可恢复的；另一种是永磁体组织结构的变化，这种变化是不可恢复的。引起永磁体失磁的环境因素主要有：高温、交变磁场、化学腐蚀、机械振动以及时间效应。
减小失磁的措施主要有：
一、通过添加合金元素和表面涂层处理等方法改良永磁体制造工艺，从而减小材料本身的原因引起的失磁。
二、在电机设计的过程中要选择合适的永磁材料，正确预测电机温升，正确选择电机永磁体的工作点，并尽量采用有助于提高电机抗去磁能力的结构设计。
三、在电机使用的过程时要进行稳磁处理，并避免接触失磁。
当永磁电机出现失磁故障时，首先要对失磁程度进行判定，方法有空载实验和仪表检测两种。对稀土永磁体进行充磁多采用电容放电脉冲式充磁装臵，充磁时要选对磁体的充磁方向，正确计算充磁能量、充磁场强和充磁时间。