摘要：該文對(duì)復(fù)合勵(lì)磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理進(jìn)行了分折通過(guò)電磁場(chǎng)有限元分析，指出復(fù)合勵(lì)磁能夠有效降低磁場(chǎng)密度，弱磁磁場(chǎng)分布均勻?qū)嶒?yàn)袁明，相比利用直軸電樞反應(yīng)的超前角弱磁控制，這種電動(dòng)機(jī)具有更寬的恒功率凋速范圍和更好的穩(wěn)定性
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；復(fù)合勵(lì)磁；弱磁；有限元
0 引 言
永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有功率密度高、效率高、出力大和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但由于永磁體固有勵(lì)磁磁場(chǎng)不可控造成弱磁調(diào)速困難，限制了其在某些領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用。針對(duì)稀土水磁尤刷卣流電機(jī)弱磁調(diào)速的研究，成為當(dāng)今電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，如果弱磁運(yùn)行得到解決加上恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用將會(huì)大大擴(kuò)展和加強(qiáng).文獻(xiàn)[2]采用一種基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的弱磁調(diào)速策略，其本質(zhì)是將無(wú)刷直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)當(dāng)做正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，將定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)矢量的空間夾角設(shè)為恒定進(jìn)行d-q坐標(biāo)變換，這與無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況相差很大。
文獻(xiàn)[3]使用永磁段和磁阻段的復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)弱磁方案，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨電流超前角增大而加�。疚膶�(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)復(fù)合勵(lì)磁和弱磁特性的關(guān)系原理進(jìn)行了研究，應(yīng)用有限元分析永磁無(wú)刷直流電機(jī)弱磁時(shí)的磁場(chǎng)變化，提出適合于永磁無(wú)刷直流電機(jī)弱磁的控制方法。通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法的正確性．
1復(fù)勵(lì)式弱磁控制系統(tǒng)原理
1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)勵(lì)式無(wú)刷直流電機(jī)定子采用兩套三相對(duì)稱繞組套為電樞繞組，另一套為輔助勵(lì)磁繞組，兩套繞組共用一個(gè)轉(zhuǎn)子。兩套繞組對(duì)應(yīng)相軸線在空間相差90。電角度。弱磁控制時(shí)由于共用一套轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來(lái)控制其電樞繞組和輔助勵(lì)磁繞組同時(shí)通電，使得輔助繞組磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)保持90。電角度。正常工作時(shí)，兩套繞組磁路上相互耦合，電路上相互獨(dú)立。復(fù)合勵(lì)磁同步調(diào)速電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖l所示為了保持高轉(zhuǎn)矩和制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)采用集中整距集巾繞組，合理選擇電機(jī)極對(duì)數(shù)和槽數(shù)可以同槽嵌放輔助勵(lì)磁組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不變，共用一組霍爾傳感器，繞組之間對(duì)應(yīng)相軸線電角度瓦相垂直，互感恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)輔助電勵(lì)磁部分不通電，這時(shí)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由永磁體提供，磁通恒定不變。由(1)式可知，感應(yīng)電勢(shì)的幅值與氣隙磁密以及電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，端電壓u達(dá)到****值并保持不變時(shí)速度也達(dá)到****值，反電勢(shì)達(dá)到****。由(2)、(3)式可知每相磁通保持恒定，電樞電流穩(wěn)定。當(dāng)電機(jī)需要工作在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，受電機(jī)額定電流和逆變器最火允許電流限制，只能通過(guò)降低磁通實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速提升即弱磁控制。弱磁擴(kuò)速時(shí)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小調(diào)節(jié)輔助勵(lì)磁線圈電流與永磁體磁場(chǎng)形成復(fù)合勵(lì)磁，隨著勵(lì)磁電流增加，去磁程度逐漸增加，減弱了電機(jī)的氣隙平均磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)商速下恒功率運(yùn)行。
由(4)式可知，隨著弱磁程度的加深無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性逐漸變軟，但由于輔助勵(lì)磁繞組和負(fù)載繞組度各自獨(dú)立通電，電機(jī)高速下的輸出功率不會(huì)隨著速度的增加而下降，這也是復(fù)合勵(lì)磁的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。為充分利用電動(dòng)機(jī)容量，通常是按照先升J卡后弱磁的原則進(jìn)行，基速以上，保持電樞電壓為額定值，通過(guò)增加勵(lì)磁電流使磁通減小調(diào)速。
對(duì)于三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，一個(gè)極下的式中，F(xiàn)r為輔助電勵(lì)磁磁勢(shì)；Ir為輔助勵(lì)磁電流；wφ為輔助線罔每相串聯(lián)匝數(shù)；P為電機(jī)極對(duì)數(shù)。
由(5)式知理論上輔助電勵(lì)磁磁勢(shì)呈正弦波分布，在導(dǎo)通電角度60。范圍內(nèi)，幅值變化較小，接近平頂波。則無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)復(fù)合勵(lì)磁****弱磁比近似為：
式巾，d為弱磁比；F為工作點(diǎn)磁鋼激磁磁勢(shì)；φm…為工作點(diǎn)磁鋼激磁磁通；φr為磁鋼短路磁通；H為磁鋼磁勢(shì)；Hm為磁鋼激磁方向厚度。
只要輔助勵(lì)磁電流控制適當(dāng)，就可以得到一個(gè)輸出恒定功率的調(diào)速范圍(即恒功率的弱磁范圍)。
由(6)式可知，在磁路不飽和情況下復(fù)合勵(lì)磁無(wú)刷直流電機(jī)能夠獲得寬廣的弱磁范圍的條件是：對(duì)于徑向勵(lì)磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)避免永磁體的工作點(diǎn)移到正常去磁曲線的拐點(diǎn)以下，確保永磁體不****性失磁；對(duì)于嵌入式切向勵(lì)磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，足夠的輔助勵(lì)磁電流女磁磁通能夠完全消弱永磁體產(chǎn)生的磁通(指基波分量)，這時(shí)理論上電機(jī)可以在任意的高速下進(jìn)行弱磁運(yùn)行，并且輸出基本恒定的功率。
2復(fù)勵(lì)式弱磁的有限元分析
采用電磁場(chǎng)有限元分析軟件MagNct對(duì)500 W/27 V復(fù)勵(lì)式無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行了分析。雖然嵌入式切向勵(lì)磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能給輔助勵(lì)磁磁勢(shì)提供通路，對(duì)永磁體的去磁作用小，弱磁效果顯著，但加工裝配麻煩，同時(shí)存在漏磁較大、氣隙磁密分布不均勻?qū)е码姍C(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，因此采用表貼式轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)。電機(jī)參數(shù)如下：定子鐵心外徑65 mm，定于鐵心內(nèi)徑34 mm，定子鐵心長(zhǎng)度20 mm，定子槽數(shù)36，轉(zhuǎn)子外徑33 4 mm，檄對(duì)數(shù)3，永磁體厚度3mm，永磁材料矯頑力635 kA／m，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度l T，電樞線圈匝數(shù)53，輔助線圈匝數(shù)18。電機(jī)恒功率運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)載的減小逐漸增加輔助勵(lì)磁電壓實(shí)現(xiàn)弱磁控制，圖2(a)為I=1．5 A時(shí)復(fù)合勵(lì)磁磁力線分布網(wǎng)，將磁鋼部分設(shè)為非磁性材料得到輔助勵(lì)磁磁力線分布如罔(h)，從圖中可看出由于磁阻不均勻，每極下的磁力線疏密分布并非呈理論的正弦波分布，而是馬鞍形，這點(diǎn)由圖3(b)可更清楚看到。
圖3為電機(jī)氣隙磁密波形，(a)為恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)時(shí)平均氣隙磁密約為O.75 T，磁場(chǎng)分布均勻，(b)為輔助勵(lì)磁產(chǎn)生的氣隙磁密波形，受線圈電感的影響波形畸變較大，平均值約為O.25 T，(c)為復(fù)合勵(lì)磁后的氣隙磁密波形，平均值降為0.5 T，氣隙磁場(chǎng)減弱明顯，相比恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，齒槽疊加效應(yīng)加劇，波形具有較強(qiáng)的尖峰。圖中所有磁密波形都取氣隙磁密的****值。
3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)弱磁擴(kuò)速采用相電流超前角導(dǎo)通的控制方法，通過(guò)電樞直軸反應(yīng)達(dá)到弱磁運(yùn)行目的，此方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大，轉(zhuǎn)矩下降過(guò)快，恒功率運(yùn)行區(qū)域過(guò)窄，反電勢(shì)和電流波形如圖5所示，弱磁時(shí)，隨著超前角的增加，電機(jī)的輸入電流、輸出功率都將迅速下降到零而無(wú)法進(jìn)行恒功率的運(yùn)行。圖6(a)、(b)為復(fù)勵(lì)式無(wú)刷直流電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩和弱磁運(yùn)行時(shí)電樞繞組相電流波形，通過(guò)對(duì)比可以看出復(fù)合勵(lì)磁時(shí)電樞相電流波彤發(fā)生畸變，這是由于輔助勵(lì)磁產(chǎn)生的氣隙磁密分布不均造成的，與有限元分析一致。同時(shí)可看到電樞繞組非導(dǎo)通相有電流通過(guò)，也是由于磁密分布不均影響了電樞反電勢(shì)和端電壓的平衡，在逆變器同路中引起環(huán)流，但環(huán)流很小對(duì)電機(jī)弱磁運(yùn)行影響不大。
從傳統(tǒng)超前角擴(kuò)速和復(fù)合勵(lì)磁擴(kuò)速的恒功率弱磁實(shí)驗(yàn)曲線可以看到，采用傳統(tǒng)超前導(dǎo)通角弱磁運(yùn)行時(shí)，其弱磁調(diào)速比僅為1.3，并且輸出轉(zhuǎn)矩特性越來(lái)越軟難以實(shí)現(xiàn)恒功率運(yùn)行而采用徑向勵(lì)磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的復(fù)勵(lì)式無(wú)刷直流電機(jī)弱磁恒功率運(yùn)行時(shí)弱磁凋速比可達(dá)2.6倍，輸出特性較硬。
4結(jié)論
本文針對(duì)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速困難的問(wèn)題，提出采用復(fù)合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)可以有效降低磁場(chǎng)密度，增大恒功率調(diào)速范圍，試驗(yàn)結(jié)果與有限兀分析一致驗(yàn)證了這種方法的正確性。文中樣機(jī)通過(guò)選取極對(duì)數(shù)和槽數(shù)來(lái)保證輔助勵(lì)磁電流與電樞電流相位差，使復(fù)合勵(lì)磁控制策略簡(jiǎn)單易行，不足之處是限制了電機(jī)本體設(shè)計(jì)的靈活性，因此需要進(jìn)一步深入研究通過(guò)控制手段確保的相位差對(duì)電機(jī)弱磁運(yùn)行的影響，以利于推廣復(fù)合勵(lì)磁在無(wú)刷直流電機(jī)擴(kuò)速的應(yīng)用。 |
