摘要：该文对复合励磁无刷直流电动机的结构特点、工作原理进行了分折通过电磁场有限元分析，指出复合励磁能够有效降低磁场密度，弱磁磁场分布均匀实验袁明，相比利用直轴电枢反应的超前角弱磁控制，这种电动机具有更宽的恒功率凋速范围和更好的稳定性

关键词：无刷直流电动机；复合励磁；弱磁；有限元

0  引  言

    永磁无刷直流电机具有功率密度高、效率高、出力大和免维护等优点，但由于永磁体固有励磁磁场不可控造成弱磁调速困难，限制了其在某些领域当中的应用。针对稀土水磁尤刷卣流电机弱磁调速的研究，成为当今电机领域研究的热点，如果弱磁运行得到解决加上恒转矩运行的优点，其应用将会大大扩展和加强.文献[2]采用一种基于瞬时无功功率理论的弱磁调速策略，其本质是将无刷直流电机的电枢磁场当做正弦分布的旋转磁场，将定、转子磁势矢量的空间夹角设为恒定进行d-q坐标变换，这与无刷直流电机的实际运行工况相差很大。

    文献[3]使用永磁段和磁阻段的复合转子结构弱磁方案，但转矩脉动随电流超前角增大而加剧．本文对永磁无刷直流电机复合励磁和弱磁特性的关系原理进行了研究，应用有限元分析永磁无刷直流电机弱磁时的磁场变化，提出适合于永磁无刷直流电机弱磁的控制方法。通过样机实验验证了所提出方法的正确性．

    1复励式弱磁控制系统原理

    1．1系统结构复励式无刷直流电机定子采用两套三相对称绕组套为电枢绕组，另一套为辅助励磁绕组，两套绕组共用一个转子。两套绕组对应相轴线在空间相差90。电角度。弱磁控制时由于共用一套转子位置信号来控制其电枢绕组和辅助励磁绕组同时通电，使得辅助绕组磁场与电枢磁场保持90。电角度。正常工作时，两套绕组磁路上相互耦合，电路上相互独立。复合励磁同步调速电动机的基本结构简图如图l所示为了保持高转矩和制作简单等优点采用集中整距集巾绕组，合理选择电机极对数和槽数可以同槽嵌放辅助励磁组，转子结构不变，共用一组霍尔传感器，绕组之间对应相轴线电角度瓦相垂直，互感恒转矩运行时辅助电励磁部分不通电，这时电机的气隙磁场由永磁体提供，磁通恒定不变。由(1)式可知，感应电势的幅值与气隙磁密以及电机转速成正比，端电压u达到****值并保持不变时速度也达到****值，反电势达到****。由(2)、(3)式可知每相磁通保持恒定，电枢电流稳定。当电机需要工作在额定转速以上时，受电机额定电流和逆变器最火允许电流限制，只能通过降低磁通实现转速提升即弱磁控制。弱磁扩速时根据负载转矩大小调节辅助励磁线圈电流与永磁体磁场形成复合励磁，随着励磁电流增加，去磁程度逐渐增加，减弱了电机的气隙平均磁场，从而实现商速下恒功率运行。

    由(4)式可知，随着弱磁程度的加深无刷直流电机的机械特性逐渐变软，但由于辅助励磁绕组和负载绕组度各自独立通电，电机高速下的输出功率不会随着速度的增加而下降，这也是复合励磁的一个优点。为充分利用电动机容量，通常是按照先升J卡后弱磁的原则进行，基速以上，保持电枢电压为额定值，通过增加励磁电流使磁通减小调速。

    对于三相六状态无刷直流电动机，一个极下的式中，Fr为辅助电励磁磁势；Ir为辅助励磁电流；wφ为辅助线罔每相串联匝数；P为电机极对数。

    由(5)式知理论上辅助电励磁磁势呈正弦波分布，在导通电角度60。范围内，幅值变化较小，接近平顶波。则无刷直流电动机复合励磁****弱磁比近似为：

    式巾，d为弱磁比；F为工作点磁钢激磁磁势；φm…为工作点磁钢激磁磁通；φr为磁钢短路磁通；H为磁钢磁势；Hm为磁钢激磁方向厚度。

    只要辅助励磁电流控制适当，就可以得到一个输出恒定功率的调速范围(即恒功率的弱磁范围)。

    由(6)式可知，在磁路不饱和情况下复合励磁无刷直流电机能够获得宽广的弱磁范围的条件是：对于径向励磁转子结构避免永磁体的工作点移到正常去磁曲线的拐点以下，确保永磁体不****性失磁；对于嵌入式切向励磁转子结构，足够的辅助励磁电流女磁磁通能够完全消弱永磁体产生的磁通(指基波分量)，这时理论上电机可以在任意的高速下进行弱磁运行，并且输出基本恒定的功率。

    2复励式弱磁的有限元分析

采用电磁场有限元分析软件MagNct对500 W/27 V复励式无刷直流电机进行了分析。虽然嵌入式切向励磁转子结构能给辅助励磁磁势提供通路，对永磁体的去磁作用小，弱磁效果显著，但加工装配麻烦，同时存在漏磁较大、气隙磁密分布不均匀导致电机运行不稳定的缺点，因此采用表贴式转子永磁体结构。电机参数如下：定子铁心外径65 mm，定于铁心内径34 mm，定子铁心长度20 mm，定子槽数36，转子外径33 4 mm，檄对数3，永磁体厚度3mm，永磁材料矫顽力635 kA／m，剩余磁感应强度l T，电枢线圈匝数53，辅助线圈匝数18。电机恒功率运行时，随着负载的减小逐渐增加辅助励磁电压实现弱磁控制，图2(a)为I=1．5 A时复合励磁磁力线分布网，将磁钢部分设为非磁性材料得到辅助励磁磁力线分布如罔(h)，从图中可看出由于磁阻不均匀，每极下的磁力线疏密分布并非呈理论的正弦波分布，而是马鞍形，这点由图3(b)可更清楚看到。

图3为电机气隙磁密波形，(a)为恒转矩状态时平均气隙磁密约为O.75 T，磁场分布均匀，(b)为辅助励磁产生的气隙磁密波形，受线圈电感的影响波形畸变较大，平均值约为O.25 T，(c)为复合励磁后的气隙磁密波形，平均值降为0.5 T，气隙磁场减弱明显，相比恒转矩运行，齿槽叠加效应加剧，波形具有较强的尖峰。图中所有磁密波形都取气隙磁密的****值。

 

 

    3实验验证

    传统的无刷直流电机弱磁扩速采用相电流超前角导通的控制方法，通过电枢直轴反应达到弱磁运行目的，此方法的优点是简单易行，但是转矩脉动过大，转矩下降过快，恒功率运行区域过窄，反电势和电流波形如图5所示，弱磁时，随着超前角的增加，电机的输入电流、输出功率都将迅速下降到零而无法进行恒功率的运行。图6(a)、(b)为复励式无刷直流电机在恒转矩和弱磁运行时电枢绕组相电流波形，通过对比可以看出复合励磁时电枢相电流波彤发生畸变，这是由于辅助励磁产生的气隙磁密分布不均造成的，与有限元分析一致。同时可看到电枢绕组非导通相有电流通过，也是由于磁密分布不均影响了电枢反电势和端电压的平衡，在逆变器同路中引起环流，但环流很小对电机弱磁运行影响不大。

    从传统超前角扩速和复合励磁扩速的恒功率弱磁实验曲线可以看到，采用传统超前导通角弱磁运行时，其弱磁调速比仅为1.3，并且输出转矩特性越来越软难以实现恒功率运行而采用径向励磁转子结构的复励式无刷直流电机弱磁恒功率运行时弱磁凋速比可达2.6倍，输出特性较硬。

4结论

本文针对永磁无刷直流电动机弱磁扩速困难的问题，提出采用复合励磁结构可以有效降低磁场密度，增大恒功率调速范围，试验结果与有限兀分析一致验证了这种方法的正确性。文中样机通过选取极对数和槽数来保证辅助励磁电流与电枢电流相位差，使复合励磁控制策略简单易行，不足之处是限制了电机本体设计的灵活性，因此需要进一步深入研究通过控制手段确保的相位差对电机弱磁运行的影响，以利于推广复合励磁在无刷直流电机扩速的应用。