摘要：該文對復合勵磁無刷直流電動機的結構特點、工作原理進行了分折通過電磁場有限元分析，指出復合勵磁能夠有效降低磁場密度，弱磁磁場分布均勻實驗袁明，相比利用直軸電樞反應的超前角弱磁控制，這種電動機具有更寬的恒功率凋速范圍和更好的穩定性

關鍵詞：無刷直流電動機；復合勵磁；弱磁；有限元

0  引  言

    永磁無刷直流電機具有功率密度高、效率高、出力大和免維護等優點，但由于永磁體固有勵磁磁場不可控造成弱磁調速困難，限制了其在某些領域當中的應用。針對稀土水磁尤刷卣流電機弱磁調速的研究，成為當今電機領域研究的熱點，如果弱磁運行得到解決加上恒轉矩運行的優點，其應用將會大大擴展和加強.文獻[2]采用一種基于瞬時無功功率理論的弱磁調速策略，其本質是將無刷直流電機的電樞磁場當做正弦分布的旋轉磁場，將定、轉子磁勢矢量的空間夾角設為恒定進行d-q坐標變換，這與無刷直流電機的實際運行工況相差很大。

    文獻[3]使用永磁段和磁阻段的復合轉子結構弱磁方案，但轉矩脈動隨電流超前角增大而加劇．本文對永磁無刷直流電機復合勵磁和弱磁特性的關系原理進行了研究，應用有限元分析永磁無刷直流電機弱磁時的磁場變化，提出適合于永磁無刷直流電機弱磁的控制方法。通過樣機實驗驗證了所提出方法的正確性．

    1復勵式弱磁控制系統原理

    1．1系統結構復勵式無刷直流電機定子采用兩套三相對稱繞組套為電樞繞組，另一套為輔助勵磁繞組，兩套繞組共用一個轉子。兩套繞組對應相軸線在空間相差90。電角度。弱磁控制時由于共用一套轉子位置信號來控制其電樞繞組和輔助勵磁繞組同時通電，使得輔助繞組磁場與電樞磁場保持90。電角度。正常工作時，兩套繞組磁路上相互耦合，電路上相互獨立。復合勵磁同步調速電動機的基本結構簡圖如圖l所示為了保持高轉矩和制作簡單等優點采用集中整距集巾繞組，合理選擇電機極對數和槽數可以同槽嵌放輔助勵磁組，轉子結構不變，共用一組霍爾傳感器，繞組之間對應相軸線電角度瓦相垂直，互感恒轉矩運行時輔助電勵磁部分不通電，這時電機的氣隙磁場由永磁體提供，磁通恒定不變。由(1)式可知，感應電勢的幅值與氣隙磁密以及電機轉速成正比，端電壓u達到****值并保持不變時速度也達到****值，反電勢達到****。由(2)、(3)式可知每相磁通保持恒定，電樞電流穩定。當電機需要工作在額定轉速以上時，受電機額定電流和逆變器最火允許電流限制，只能通過降低磁通實現轉速提升即弱磁控制。弱磁擴速時根據負載轉矩大小調節輔助勵磁線圈電流與永磁體磁場形成復合勵磁，隨著勵磁電流增加，去磁程度逐漸增加，減弱了電機的氣隙平均磁場，從而實現商速下恒功率運行。

    由(4)式可知，隨著弱磁程度的加深無刷直流電機的機械特性逐漸變軟，但由于輔助勵磁繞組和負載繞組度各自獨立通電，電機高速下的輸出功率不會隨著速度的增加而下降，這也是復合勵磁的一個優點。為充分利用電動機容量，通常是按照先升J卡后弱磁的原則進行，基速以上，保持電樞電壓為額定值，通過增加勵磁電流使磁通減小調速。

    對于三相六狀態無刷直流電動機，一個極下的式中，Fr為輔助電勵磁磁勢；Ir為輔助勵磁電流；wφ為輔助線罔每相串聯匝數；P為電機極對數。

    由(5)式知理論上輔助電勵磁磁勢呈正弦波分布，在導通電角度60。范圍內，幅值變化較小，接近平頂波。則無刷直流電動機復合勵磁****弱磁比近似為：

    式巾，d為弱磁比；F為工作點磁鋼激磁磁勢；φm…為工作點磁鋼激磁磁通；φr為磁鋼短路磁通；H為磁鋼磁勢；Hm為磁鋼激磁方向厚度。

    只要輔助勵磁電流控制適當，就可以得到一個輸出恒定功率的調速范圍(即恒功率的弱磁范圍)。

    由(6)式可知，在磁路不飽和情況下復合勵磁無刷直流電機能夠獲得寬廣的弱磁范圍的條件是：對于徑向勵磁轉子結構避免永磁體的工作點移到正常去磁曲線的拐點以下，確保永磁體不****性失磁；對于嵌入式切向勵磁轉子結構，足夠的輔助勵磁電流女磁磁通能夠完全消弱永磁體產生的磁通(指基波分量)，這時理論上電機可以在任意的高速下進行弱磁運行，并且輸出基本恒定的功率。

    2復勵式弱磁的有限元分析

采用電磁場有限元分析軟件MagNct對500 W/27 V復勵式無刷直流電機進行了分析。雖然嵌入式切向勵磁轉子結構能給輔助勵磁磁勢提供通路，對永磁體的去磁作用小，弱磁效果顯著，但加工裝配麻煩，同時存在漏磁較大、氣隙磁密分布不均勻導致電機運行不穩定的缺點，因此采用表貼式轉子永磁體結構。電機參數如下：定子鐵心外徑65 mm，定于鐵心內徑34 mm，定子鐵心長度20 mm，定子槽數36，轉子外徑33 4 mm，檄對數3，永磁體厚度3mm，永磁材料矯頑力635 kA／m，剩余磁感應強度l T，電樞線圈匝數53，輔助線圈匝數18。電機恒功率運行時，隨著負載的減小逐漸增加輔助勵磁電壓實現弱磁控制，圖2(a)為I=1．5 A時復合勵磁磁力線分布網，將磁鋼部分設為非磁性材料得到輔助勵磁磁力線分布如罔(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，這點由圖3(b)可更清楚看到。

圖3為電機氣隙磁密波形，(a)為恒轉矩狀態時平均氣隙磁密約為O.75 T，磁場分布均勻，(b)為輔助勵磁產生的氣隙磁密波形，受線圈電感的影響波形畸變較大，平均值約為O.25 T，(c)為復合勵磁后的氣隙磁密波形，平均值降為0.5 T，氣隙磁場減弱明顯，相比恒轉矩運行，齒槽疊加效應加劇，波形具有較強的尖峰。圖中所有磁密波形都取氣隙磁密的****值。

 

 

    3實驗驗證

    傳統的無刷直流電機弱磁擴速采用相電流超前角導通的控制方法，通過電樞直軸反應達到弱磁運行目的，此方法的優點是簡單易行，但是轉矩脈動過大，轉矩下降過快，恒功率運行區域過窄，反電勢和電流波形如圖5所示，弱磁時，隨著超前角的增加，電機的輸入電流、輸出功率都將迅速下降到零而無法進行恒功率的運行。圖6(a)、(b)為復勵式無刷直流電機在恒轉矩和弱磁運行時電樞繞組相電流波形，通過對比可以看出復合勵磁時電樞相電流波彤發生畸變，這是由于輔助勵磁產生的氣隙磁密分布不均造成的，與有限元分析一致。同時可看到電樞繞組非導通相有電流通過，也是由于磁密分布不均影響了電樞反電勢和端電壓的平衡，在逆變器同路中引起環流，但環流很小對電機弱磁運行影響不大。

    從傳統超前角擴速和復合勵磁擴速的恒功率弱磁實驗曲線可以看到，采用傳統超前導通角弱磁運行時，其弱磁調速比僅為1.3，并且輸出轉矩特性越來越軟難以實現恒功率運行而采用徑向勵磁轉子結構的復勵式無刷直流電機弱磁恒功率運行時弱磁凋速比可達2.6倍，輸出特性較硬。

4結論

本文針對永磁無刷直流電動機弱磁擴速困難的問題，提出采用復合勵磁結構可以有效降低磁場密度，增大恒功率調速范圍，試驗結果與有限兀分析一致驗證了這種方法的正確性。文中樣機通過選取極對數和槽數來保證輔助勵磁電流與電樞電流相位差，使復合勵磁控制策略簡單易行，不足之處是限制了電機本體設計的靈活性，因此需要進一步深入研究通過控制手段確保的相位差對電機弱磁運行的影響，以利于推廣復合勵磁在無刷直流電機擴速的應用。