?直流電機知識：永磁勵磁和直流電機等效替代電路圖

  永磁勵磁方式在直流電機及同步電機、步進(jìn)電機中用來(lái)工業(yè)伺服驅動(dòng)，如汽車(chē)輔助驅動(dòng)、辦公家電等驅動(dòng)設備中應用。永磁體勵磁比電勵磁繞組體積更小、工作效率更高、動(dòng)態(tài)性能更高，不過(guò)它的強磁材料價(jià)格昂貴、磁體的邊緣區域會(huì )有退磁現象及難以進(jìn)行弱磁控制。

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  直流電機永磁體的工作點(diǎn)

  目前絕大部分永磁體都是通過(guò)人工磁化生產(chǎn)的，材料的磁化過(guò)程可以用磁化的遲滯曲線(xiàn)描述。第遙象限部分就是退磁曲線(xiàn)了，如下圖，剛進(jìn)入時(shí)，外加磁場(chǎng)強度為0此時(shí)材料保留的為剩磁 B_r(0,B_r) ?。繼續加反向磁場(chǎng)則磁感強度持續下降，直到達到所需的工作點(diǎn)(H₀,B₀) 。如果繼續加強反向磁場(chǎng)，則材料的磁感強度會(huì )繼續衰減，直到0，此時(shí)的磁場(chǎng)強度稱(chēng)為矯頑磁場(chǎng)強度H_cB(H_cB,0)。

  實(shí)際工作的時(shí)候永磁體確實(shí)會(huì )被電機中電流激發(fā)的不停變化的磁場(chǎng)所影響，尤其是在交流電機中，總會(huì )有些許退磁，所以還有一個(gè)對環(huán)境磁場(chǎng)的邊界要求，有邊界磁場(chǎng)強度H_G。如果超過(guò)邊界磁場(chǎng)強度那就會(huì )對永磁體產(chǎn)生永久性的部分退磁化。當然一般的直流電機正常工作過(guò)程所產(chǎn)生的退磁相比于由于高溫所造成的退磁還是可以忽略不計的。

工作點(diǎn)為(H0,B0)的退磁曲線(xiàn)

  直接考察非線(xiàn)性的退磁曲線(xiàn)比較困難，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題可以考察一段線(xiàn)性的工作區域。姑且可以認為，在邊界磁場(chǎng)強度以上的部分都是近似線(xiàn)性的，因為這段區域對外磁場(chǎng)和溫升有較高穩定性。經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化則有磁感強度B。

  B=B_r+_μ0μrH

  對于永磁體的材料選擇，經(jīng)典的選擇一直是鐵氧體磁鐵(Ferrit)、鋁鎳鈷(AlNiCo)磁鐵、釤鈷磁體(SmCo)、釹鐵硼磁體(NdFeB)等。其中釹鐵硼磁體和釤鈷磁體是來(lái)源于稀土元素的強磁體，對溫度比較敏感，需要控制溫升。而且為了避免腐蝕的損害，使用時(shí)需要在永磁材料表面做保護處理。

幾種永磁材料的退磁曲線(xiàn)

  計算氣隙永磁勵磁，也是要用一個(gè)極寬內環(huán)繞的磁回路。繼續保持殼體和電樞鐵區域的完全磁導(?μ?fe→?∞)?以及忽略漏磁。永磁體厚度為h_M產(chǎn)生的場(chǎng)強為H_M，應用環(huán)路定理有2H_M·h_M+2H_δ?·δ=?Θ_a?

磁通密度計算的積分路徑

  氣隙和永磁體的有效磁通面積可以近似相等，那么根據磁通無(wú)源性可知B_δ=B_M，代入上式可得磁路的工作曲線(xiàn)為直線(xiàn)一次函數

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  將它和退磁曲線(xiàn)B_M=f(H_M)結合起來(lái)分析可以得到最終磁性材料的工作點(diǎn)。從圖中可以看出，電樞產(chǎn)生正的磁動(dòng)勢時(shí)，工作點(diǎn)右移，氣隙磁感強度增強；電樞產(chǎn)生負的磁動(dòng)勢時(shí)，工作點(diǎn)左移，氣隙磁感強度減弱。

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確定直流電動(dòng)機的工作點(diǎn)

  如果使用線(xiàn)性化的退磁曲線(xiàn)函數，那么改寫(xiě)(6.1)可得線(xiàn)性方程組

  B_M-_μ0μr??H_M=B_r

  解得永磁體勵磁的工作點(diǎn)坐標(H_M,B_M)

  上式也就是說(shuō)明，在電動(dòng)機負載工作過(guò)程中，氣隙磁場(chǎng)密度分布會(huì )由于電樞反應發(fā)生變化。如同上一章分析的一樣。不同的是，永磁勵磁環(huán)境的電樞反應會(huì )弱于電勵磁的，因為有效氣隙寬度增大為δ??+h_M

四極永磁勵磁直流電機的額定電流下氣隙磁場(chǎng)扭曲

  在進(jìn)入極邊緣依然有被電樞反應增強過(guò)的磁場(chǎng)強度，也就是說(shuō)，會(huì )有退磁危險。這就要求電機設計時(shí)尺寸設計必須滿(mǎn)足條件，使得在更大負載下也不會(huì )超過(guò)邊界磁場(chǎng)強度H_G。對于永磁勵磁直流電機來(lái)說(shuō)，電路和電勵磁是基本一致的，只是勵磁電路被替代了，并且生成恒定氣隙磁通Φ?。

增大負載后扭曲更強烈的磁場(chǎng)

  直流電機等效替代電路圖

  通過(guò)改變勵磁電路的設計，得到許多直流電機的變體：并勵電機、串勵電機、他勵磁電機、永磁勵磁電機這些不同勵磁方式會(huì )給直流電機的穩態(tài)以及動(dòng)態(tài)工作行為和工作效率帶來(lái)影響?，F在只考慮穩態(tài)工作行為。并且假設換向極和補償極繞組總是會(huì )和電樞繞組電路串聯(lián)。

  并勵電機

  并勵電機的勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，那么在電網(wǎng)輸電時(shí)就可以用變阻器調節電樞和勵磁回路來(lái)實(shí)現轉數控制，下面為并勵電機的等效替代電路圖。并可以得出對應的電路關(guān)系式。

并勵電機的等效替代電路圖

  U_a=(R_a+R_Va)I_a+K₁Φ?_fn=U_e=(R_f+R_Vf)I_f?

  M=K₂Φ?_fI_a?

  Φ_?f=?K₃I_f

  聯(lián)立三式可得并勵電機的轉數n和轉矩M的關(guān)系式

  勵磁磁通有以下關(guān)系

  直流電機總的電流I為

  可見(jiàn)當啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)(n=0,R_f>>R_a)，啟動(dòng)電流I₀為

  當電機空轉時(shí)，轉矩為0，那么空轉轉數n₀；與之對應的，轉數為0，有電機靜止轉矩 M₀

  那么可以繼續改寫(xiě)

并勵電機的n-M機械特性曲線(xiàn)

  串勵電機

  串勵電機的電路里，勵磁電路串聯(lián)到電樞電路上，勵磁電流等于電樞電流，兩者是相互影響的。這種情況下可以通過(guò)并聯(lián)一個(gè)可變電阻R_P到勵磁電路上，來(lái)實(shí)現弱磁控制。

串勵電機的等效替代電路圖

  出轉數和轉矩關(guān)系，取正為電動(dòng)機模式，取負為發(fā)電機模式。

串勵電機的n-M機械特性曲線(xiàn)

  那么靜止電流I₀和有電機靜止轉矩M₀

  當電流越小的時(shí)候，轉速會(huì )越來(lái)越大，不過(guò)空轉轉數不能真的按照機械特性曲線(xiàn)那樣逼近無(wú)窮大，持續弱磁降低電流也會(huì )降低功率，無(wú)法繼續提速。

  他勵電機

  前面并勵電機和串勵電機，勵磁電路都和電樞電路有關(guān)，但是他勵電機的勵磁電路是完全獨立的?？梢缘玫疥P(guān)系式

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他勵電機的等效替代電路圖

  空轉轉數n₀和有電機靜止轉矩M₀ 

不同空轉速度的他勵電機的n-M機械特性曲線(xiàn)

  總的來(lái)說(shuō)，他勵電機和并勵電機機械特性曲線(xiàn)很類(lèi)似。但他勵電機勵磁電路和電樞電路無(wú)關(guān)，可以很容易，更自由地調控?？偟霓D數控制策略是：

  ①在低于空轉轉數n₀時(shí)，就在最大磁通下，改變最大電樞電壓U_A 

  ②在超過(guò)空轉轉數n₀?時(shí)，就采取弱磁控制，在最大電樞電壓U_A下，逐漸降低磁通

直流電機工作區域

  如圖，在左側基本轉數區采取策略①，是保持恒轉矩啟動(dòng)加速，功率也是恒定的；當達到空轉轉數n₀時(shí)，處于中間弱磁區，采取策略②，保持恒定功率和最大電樞電壓U_A，但是會(huì )因為降低了磁通，逐步減小了轉矩；在超過(guò)換向轉折點(diǎn)的右側弱磁區，電樞電流和轉矩持續下降，這樣才能繼續提高轉數。

  永磁電機

?  永磁電機的等效替代電路圖和他勵電機是一樣的，而且n-M機械特性曲線(xiàn)也遵循了同樣的線(xiàn)性關(guān)系，唯一的區別就是由永磁體產(chǎn)生的勵磁磁通是恒定的，無(wú)法直接調節的！

?  由于無(wú)法調節勵磁磁通的大小，弱磁控制對于永磁直流電機來(lái)說(shuō)也難以實(shí)現了。

  直流電機總結

  直流電機的內容到這里基本結束，現在由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，與高頻開(kāi)關(guān)相結合的控制技術(shù)使得直流無(wú)刷電機越來(lái)越受到重視。這將是一個(gè)直流電機的發(fā)展方向，不過(guò)傳統有刷電機還是依靠結構簡(jiǎn)單，成本低廉以及穩定耐用在廣大市場(chǎng)上占據不可或缺的地位。