永磁勵(lì)磁方式在直流電機(jī)及同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)中用來工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)，如汽車輔助驅(qū)動(dòng)、辦公家電等驅(qū)動(dòng)設(shè)備中應(yīng)用。永磁體勵(lì)磁比電勵(lì)磁繞組體積更小、工作效率更高、動(dòng)態(tài)性能更高，不過它的強(qiáng)磁材料價(jià)格昂貴、磁體的邊緣區(qū)域會(huì)有退磁現(xiàn)象及難以進(jìn)行弱磁控制。

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  直流電機(jī)永磁體的工作點(diǎn)

  目前絕大部分永磁體都是通過人工磁化生產(chǎn)的，材料的磁化過程可以用磁化的遲滯曲線描述。第遙象限部分就是退磁曲線了，如下圖，剛進(jìn)入時(shí)，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0此時(shí)材料保留的為剩磁 B_r(0,B_r) ?。繼續(xù)加反向磁場(chǎng)則磁感強(qiáng)度持續(xù)下降，直到達(dá)到所需的工作點(diǎn)(H₀,B₀) 。如果繼續(xù)加強(qiáng)反向磁場(chǎng)，則材料的磁感強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)衰減，直到0，此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑磁場(chǎng)強(qiáng)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(jī)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(jī)中，總會(huì)有些許退磁，所以還有一個(gè)對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)的邊界要求，有邊界磁場(chǎng)強(qiáng)度H_G。如果超過邊界磁場(chǎng)強(qiáng)度那就會(huì)對(duì)永磁體產(chǎn)生永久性的部分退磁化。當(dāng)然一般的直流電機(jī)正常工作過程所產(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(jì)的。

工作點(diǎn)為(H0,B0)的退磁曲線

  直接考察非線性的退磁曲線比較困難，為了簡(jiǎn)化問題可以考察一段線性的工作區(qū)域。姑且可以認(rèn)為，在邊界磁場(chǎng)強(qiáng)度以上的部分都是近似線性的，因?yàn)檫@段區(qū)域?qū)ν獯艌?chǎng)和溫升有較高穩(wěn)定性。經(jīng)過線性化則有磁感強(qiáng)度B。

  B=B_r+_μ0μrH

  對(duì)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源于稀土元素的強(qiáng)磁體，對(duì)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(hù)處理。

幾種永磁材料的退磁曲線

  計(jì)算氣隙永磁勵(lì)磁，也是要用一個(gè)極寬內(nèi)環(huán)繞的磁回路。繼續(xù)保持殼體和電樞鐵區(qū)域的完全磁導(dǎo)(?μ?fe→?∞)?以及忽略漏磁。永磁體厚度為h_M產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為H_M，應(yīng)用環(huán)路定理有2H_M·h_M+2H_δ?·δ=?Θ_a?

磁通密度計(jì)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(jù)磁通無源性可知B_δ=B_M，代入上式可得磁路的工作曲線為直線一次函數(shù)

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  將它和退磁曲線B_M=f(H_M)結(jié)合起來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(shì)時(shí)，工作點(diǎn)右移，氣隙磁感強(qiáng)度增強(qiáng)；電樞產(chǎn)生負(fù)的磁動(dòng)勢(shì)時(shí)，工作點(diǎn)左移，氣隙磁感強(qiáng)度減弱。

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確定直流電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)

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

  B_M-_μ0μr??H_M=B_r

  解得永磁體勵(lì)磁的工作點(diǎn)坐標(biāo)(H_M,B_M)

  上式也就是說明，在電動(dòng)機(jī)負(fù)載工作過程中，氣隙磁場(chǎng)密度分布會(huì)由于電樞反應(yīng)發(fā)生變化。如同上一章分析的一樣。不同的是，永磁勵(lì)磁環(huán)境的電樞反應(yīng)會(huì)弱于電勵(lì)磁的，因?yàn)橛行庀秾挾仍龃鬄?/span>δ??+h_M

四極永磁勵(lì)磁直流電機(jī)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(yīng)增強(qiáng)過的磁場(chǎng)強(qiáng)度，也就是說，會(huì)有退磁危險(xiǎn)。這就要求電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)尺寸設(shè)計(jì)必須滿足條件，使得在更大負(fù)載下也不會(huì)超過邊界磁場(chǎng)強(qiáng)度H_G。對(duì)于永磁勵(lì)磁直流電機(jī)來說，電路和電勵(lì)磁是基本一致的，只是勵(lì)磁電路被替代了，并且生成恒定氣隙磁通Φ?。

增大負(fù)載后扭曲更強(qiáng)烈的磁場(chǎng)

  直流電機(jī)等效替代電路圖

  通過改變勵(lì)磁電路的設(shè)計(jì)，得到許多直流電機(jī)的變體：并勵(lì)電機(jī)、串勵(lì)電機(jī)、他勵(lì)磁電機(jī)、永磁勵(lì)磁電機(jī)這些不同勵(lì)磁方式會(huì)給直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)以及動(dòng)態(tài)工作行為和工作效率帶來影響?，F(xiàn)在只考慮穩(wěn)態(tài)工作行為。并且假設(shè)換向極和補(bǔ)償極繞組總是會(huì)和電樞繞組電路串聯(lián)。

  并勵(lì)電機(jī)

  并勵(lì)電機(jī)的勵(lì)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(diào)節(jié)電樞和勵(lì)磁回路來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)數(shù)控制，下面為并勵(lì)電機(jī)的等效替代電路圖。并可以得出對(duì)應(yīng)的電路關(guān)系式。

并勵(lì)電機(jī)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(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)n和轉(zhuǎn)矩M的關(guān)系式

  勵(lì)磁磁通有以下關(guān)系

  直流電機(jī)總的電流I為

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

  當(dāng)電機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩為0，那么空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)n₀；與之對(duì)應(yīng)的，轉(zhuǎn)數(shù)為0，有電機(jī)靜止轉(zhuǎn)矩 M₀

  那么可以繼續(xù)改寫

并勵(lì)電機(jī)的n-M機(jī)械特性曲線

  串勵(lì)電機(jī)

  串勵(lì)電機(jī)的電路里，勵(lì)磁電路串聯(lián)到電樞電路上，勵(lì)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并聯(lián)一個(gè)可變電阻R_P到勵(lì)磁電路上，來實(shí)現(xiàn)弱磁控制。

串勵(lì)電機(jī)的等效替代電路圖

  出轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)矩關(guān)系，取正為電動(dòng)機(jī)模式，取負(fù)為發(fā)電機(jī)模式。

串勵(lì)電機(jī)的n-M機(jī)械特性曲線

  那么靜止電流I₀和有電機(jī)靜止轉(zhuǎn)矩M₀

  當(dāng)電流越小的時(shí)候，轉(zhuǎn)速會(huì)越來越大，不過空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)不能真的按照機(jī)械特性曲線那樣逼近無窮大，持續(xù)弱磁降低電流也會(huì)降低功率，無法繼續(xù)提速。

  他勵(lì)電機(jī)

  前面并勵(lì)電機(jī)和串勵(lì)電機(jī)，勵(lì)磁電路都和電樞電路有關(guān)，但是他勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁電路是完全獨(dú)立的。可以得到關(guān)系式

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他勵(lì)電機(jī)的等效替代電路圖

  空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)n₀和有電機(jī)靜止轉(zhuǎn)矩M₀ 

不同空轉(zhuǎn)速度的他勵(lì)電機(jī)的n-M機(jī)械特性曲線

  總的來說，他勵(lì)電機(jī)和并勵(lì)電機(jī)機(jī)械特性曲線很類似。但他勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁電路和電樞電路無關(guān)，可以很容易，更自由地調(diào)控。總的轉(zhuǎn)數(shù)控制策略是：

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

  ②在超過空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)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(jī)工作區(qū)域

  如圖，在左側(cè)基本轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)采取策略①，是保持恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)加速，功率也是恒定的；當(dāng)達(dá)到空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)n₀時(shí)，處于中間弱磁區(qū)，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?yàn)榻档土舜磐?，逐步減小了轉(zhuǎn)矩；在超過換向轉(zhuǎn)折點(diǎn)的右側(cè)弱磁區(qū)，電樞電流和轉(zhuǎn)矩持續(xù)下降，這樣才能繼續(xù)提高轉(zhuǎn)數(shù)。

  永磁電機(jī)

?  永磁電機(jī)的等效替代電路圖和他勵(lì)電機(jī)是一樣的，而且n-M機(jī)械特性曲線也遵循了同樣的線性關(guān)系，唯一的區(qū)別就是由永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通是恒定的，無法直接調(diào)節(jié)的！

?  由于無法調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通的大小，弱磁控制對(duì)于永磁直流電機(jī)來說也難以實(shí)現(xiàn)了。

  直流電機(jī)總結(jié)

  直流電機(jī)的內(nèi)容到這里基本結(jié)束，現(xiàn)在由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，與高頻開關(guān)相結(jié)合的控制技術(shù)使得直流無刷電機(jī)越來越受到重視。這將是一個(gè)直流電機(jī)的發(fā)展方向，不過傳統(tǒng)有刷電機(jī)還是依靠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉以及穩(wěn)定耐用在廣大市場(chǎng)上占據(jù)不可或缺的地位。