電機內(nèi)磁場的增磁和去磁控制

一、前言

在工科電類本科生的電機課程里，有電機弱磁調(diào)速控制的知識點。該課程主要講述了電機弱磁調(diào)速的外在運行特性（速度特性、轉(zhuǎn)矩特性），但沒有講述如何完成電機的弱磁調(diào)速。

今天，我們就電機的去磁（弱磁）和充磁（增磁）技術(shù)，進行介紹。本次介紹的電機調(diào)磁技術(shù)，只是電機調(diào)磁的方法之一（哈哈）。

如下圖1所示，是永磁體增磁或去磁的過程。假如向永磁體施加正向的外加磁場，則會使永磁體材料本身產(chǎn)生充磁現(xiàn)象，譬如從P3點經(jīng)Pm1到P1點（圖1的藍色剪頭曲線所示）；假如向永磁體施加負向的外加磁場，則會使永磁體材料本身產(chǎn)生去磁現(xiàn)象，譬如從P1點經(jīng)Pd1到P3點（圖1的紅色剪頭曲線所示）。

若是對永磁體材料進行反向充磁，則此現(xiàn)象將會發(fā)生在圖1所示的第三象限和第四象限之中。

另外，負載線表示永磁體始終處于外加磁場之中（譬如電機在運行之中）。

圖 1 永磁體充磁（增磁或去磁）的過程

二、理論仿真

如下圖2所示，是采用電磁場分析和計算軟件ANSYS Electronics 2019，對新型磁通切換永磁電機進行二維有限元網(wǎng)格剖分，為下一步的仿真計算和分析，奠定基礎(chǔ)。

圖 2 新型磁通切換永磁電機有限元計算的網(wǎng)格剖分

如下圖3所示，是在圖2的有限元計算的網(wǎng)格剖分之后，通過仿真計算軟件ANSYS Electronics 2019獲得了新型磁通切換永磁電機增磁和去磁情況下的磁場分布情況。

其中，圖3（a）是新型磁通切換永磁電機在增磁情況下的磁通分布，圖3（b）是新型磁通切換永磁電機在去磁情況下的磁通分布。對比二者可得，新型磁通切換永磁電機的增磁和去磁情況下的磁通量存在很大差異，這將會影響電機繞組的磁通量和感應(yīng)電動勢，進而影響電機的控制效果。

（a）增磁

（b）去磁

圖 3 新型磁通切換永磁電機的增磁和去磁仿真

如下圖4所示，是新型磁通切換永磁電機增磁過程的感應(yīng)電動勢，增磁持續(xù)時間是45ms，增磁電流是12A。比較和分析可得：在新型磁通切換永磁電機增磁之前，其單相感應(yīng)電動勢是13.68V；增磁之后，其感應(yīng)電動勢增加至29.2V。

另外，當增磁電流達到15A的時候，新型磁通切換永磁電機的感應(yīng)電動勢增至32.5V。因此，在較大增磁電流的情況下，不易產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，主要是永磁體LNG52本身就存在去磁效應(yīng)（撤銷增磁電流之后），且永磁體LNG52的矯頑力也不是太大。

圖 4 新型磁通切換永磁電機增磁過程的感應(yīng)電動勢

三、硬件實驗測試

經(jīng)過上述永磁電機結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析和優(yōu)化（另外闡述，假如您感興趣），加工制作了新型磁通切換永磁電機，及其硬件實驗測試平臺，如下圖5所示。另外，該硬件實驗測試系統(tǒng)，主要包括直流電源、驅(qū)動器、控制器、兩種磁通切換永磁電機、伺服電機、增磁和去磁裝置、示波器、電流鉗、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試儀、編程器（電腦）組成。

（a）磁通切換永磁記憶電機三維結(jié)構(gòu)

圖 5 新型磁通切換永磁電機增磁和去磁的硬件平臺

圖6示出了電機增磁和去磁控制的硬件實驗測試結(jié)果。由圖6（a）和圖6（b）可得，在1000轉(zhuǎn)/分鐘的情況下，新型磁通切換永磁電機的最大去磁感應(yīng)電動勢幅值是15.6V，最大增磁能力的感應(yīng)電動勢幅值是30.6V，這充分表明新型磁通切換永磁電機具備較大的調(diào)磁空間。哈哈，假如您想了解電機增磁和去磁與感應(yīng)電動勢的關(guān)系，請告訴我。

(a）新型磁通切換永磁電機的去磁測試

（c）新型磁通切換永磁電機的增磁測試

圖6 新型磁通切換永磁電機增磁和去磁的實驗測試結(jié)果

圖7示出了本實驗測試平臺自主搭建的電機內(nèi)的永磁體（LNG52）去磁和增磁的實驗裝置控制系統(tǒng)。該裝置，也已完成硬件控制平臺搭建，并申請了實用新型專利（已授權(quán)）。

圖7 永磁體（LNG52）去磁和增磁的控制系統(tǒng)