一、简介
工程电气本科生电机课程中,有一个关于电机弱磁调速控制的知识点。本课程主要讲述电机弱磁调速的外部运行特性(速度特性、转矩特性),但没有讲述如何完成电机弱磁调速。
今天我们就来介绍一下电机的退磁(弱磁)和充磁(磁化)技术。这次介绍的电机充磁技术只是电机充磁的方法之一(哈哈)。
如下图1所示,是永磁体磁化或退磁的过程。如果对永磁体施加正的外部磁场,永磁材料本身就会被磁化,例如从点P3经过Pm1到点P1(如图1中蓝色剪切曲线所示);如果对永磁体施加正的外部磁场,则负的外部磁场将导致永磁材料本身退磁,例如从点P1经过Pd1到点P3(如图1中红色剪切曲线所示)。
如果永磁材料被反向磁化,这种现象就会发生在图1所示的第三、第四象限。
另外,负载线表明永磁体始终处于外部磁场中(例如,当电机运行时)。
图1 永磁体充磁(充磁或退磁)过程
2 理论模拟
如下图2所示,采用电磁场分析计算软件ANSYS Electronics 2019对新型磁通开关永磁电机进行二维有限元网格划分,为下一步仿真计算分析奠定基础。
图2 新型磁通开关永磁电机有限元计算网格细分
如下图3所示,对图2中的有限元计算进行网格划分后,通过仿真计算软件ANSYS Electronics 2019得到了新型磁通开关永磁电机在充磁和退磁时的磁场分布。
其中,图3(a)为新型磁通开关永磁电机在充磁时的磁通分布,图3(b)为新型磁通开关永磁电机在退磁时的磁通分布。两者对比可以看出,新型磁通开关永磁电机在充磁和退磁时的磁通量存在较大差异,会影响电机绕组的磁通量和感应电动势,从而影响电机的电机的控制效果。
(a) 磁化
(b) 消磁
图3 新型磁通开关永磁电机充磁和退磁仿真
如下图4所示,它是新型磁通开关永磁电机磁化过程中的感应电动势。磁化持续时间为45ms,磁化电流为12A。对比分析表明,新型磁通切换永磁电机在励磁前,其单相感应电动势为13.68V;磁化后,其感应电动势增至29.2V。
此外,当励磁电流达到15A时,新型磁通开关永磁电机的感应电动势增加至32.5V。因此,在励磁电流较大的情况下,很难产生较大的感应电动势。造成这种现象的主要原因是永磁体LNG52本身具有退磁作用(磁化电流撤去后),永磁体LNG52的矫顽力不太大。
图4 新型磁通开关永磁电机磁化过程中的感应电动势
3. 硬件实验测试
经过上述永磁电机结构设计、仿真分析和优化(有兴趣的话单独讲解),加工制作出了新型磁通切换永磁电机及其硬件实验测试平台,如下图5所示。另外,硬件实验测试系统主要包括直流电源、驱动器、控制器、两台磁通切换永磁电机、伺服电机、充退磁装置、示波器、电流钳、扭矩速度测试仪、编程器(计算机)组成。
(a) 磁通切换永磁记忆电机三维结构
图5 新型磁通开关永磁电机充退磁硬件平台
图6为电机充退磁控制的硬件实验测试结果。从图6(a)和图6(b)可以看出,在1000 rpm 时,新型磁通开关永磁电机的最大退磁感应电动势幅值为15.6V,充磁能力值为30.6V,充分说明新型磁通切换永磁电机具有较大的磁体调节空间。
(a)新型磁通切换永磁电机的退磁试验
(c)新型磁通切换永磁电机的充磁试验
图6 新型磁通开关永磁电机充磁和退磁实验测试结果
图7所示为在此实验测试平台上独立搭建的电机永磁体(LNG52)退磁和充磁实验装置控制系统。
图7 永磁体(LNG52)退磁、充磁控制系统