直流電機知識:永磁勵磁和直流電機等效替代電路圖

2020-12-16 天孚微電機

永磁勵磁方式在直流電機及同步電機、步進電機中用來工業伺服驅動,如汽車輔助驅動、辦公家電等驅動設備中應用。永磁體勵磁比電勵磁繞組體積更小、工作效率更高、動態性能更高,不過它的強磁材料價格昂貴、磁體的邊緣區域會有退磁現象及難以進行弱磁控制。

直流電機永磁體的工作點

目前絕大部分永磁體都是通過人工磁化生產的,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,剛進入時,外加磁場強度為0此時材料保留的為剩磁 Br(0,Br) 。繼續加反向磁場則磁感強度持續下降,直到達到所需的工作點(H0,B0) 。如果繼續加強反向磁場,則材料的磁感強度會繼續衰減,直到0,此時的磁場強度稱為矯頑磁場強度HcB(HcB,0)。

實際工作的時候永磁體確實會被電機中電流激發的不停變化的磁場所影響,尤其是在交流電機中,總會有些許退磁,所以還有一個對環境磁場的邊界要求,有邊界磁場強度HG。如果超過邊界磁場強度那就會對永磁體產生永久性的部分退磁化。當然一般的直流電機正常工作過程所產生的退磁相比於由於高溫所造成的退磁還是可以忽略不計的。

直接考察非線性的退磁曲線比較困難,為了簡化問題可以考察一段線性的工作區域。姑且可以認為,在邊界磁場強度以上的部分都是近似線性的,因為這段區域對外磁場和溫升有較高穩定性。經過線性化則有磁感強度B。

B=Br+μ0μrH

對於永磁體的材料選擇,經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於稀土元素的強磁體,對溫度比較敏感,需要控制溫升。而且為了避免腐蝕的損害,使用時需要在永磁材料表面做保護處理。

計算氣隙永磁勵磁,也是要用一個極寬內環繞的磁迴路。繼續保持殼體和電樞鐵區域的完全磁導(μfe→∞)以及忽略漏磁。永磁體厚度為hM產生的場強為HM,應用環路定理有2HM·hM+2Hδ·δ=Θa

氣隙和永磁體的有效磁通面積可以近似相等,那麼根據磁通無源性可知Bδ=BM,代入上式可得磁路的工作曲線為直線一次函數

將它和退磁曲線BM=f(HM)結合起來分析可以得到最終磁性材料的工作點。從圖中可以看出,電樞產生正的磁動勢時,工作點右移,氣隙磁感強度增強;電樞產生負的磁動勢時,工作點左移,氣隙磁感強度減弱。

如果使用線性化的退磁曲線函數,那麼改寫(6.1)可得線性方程組

BM-μ0μrHM=Br

解得永磁體勵磁的工作點坐標(HM,BM)

上式也就是說明,在電動機負載工作過程中,氣隙磁場密度分布會由於電樞反應發生變化。如同上一章分析的一樣。不同的是,永磁勵磁環境的電樞反應會弱於電勵磁的,因為有效氣隙寬度增大為δ+hM

在進入極邊緣依然有被電樞反應增強過的磁場強度,也就是說,會有退磁危險。這就要求電機設計時尺寸設計必須滿足條件,使得在更大負載下也不會超過邊界磁場強度HG。對於永磁勵磁直流電機來說,電路和電勵磁是基本一致的,只是勵磁電路被替代了,並且生成恆定氣隙磁通Φ。

增大負載後扭曲更強烈的磁場

直流電機等效替代電路圖

通過改變勵磁電路的設計,得到許多直流電機的變體:並勵電機、串勵電機、他勵磁電機、永磁勵磁電機這些不同勵磁方式會給直流電機的穩態以及動態工作行為和工作效率帶來影響。現在只考慮穩態工作行為。並且假設換向極和補償極繞組總是會和電樞繞組電路串聯。

並勵電機

並勵電機的勵磁繞組和電樞繞組並聯,那麼在電網輸電時就可以用變阻器調節電樞和勵磁迴路來實現轉數控制,下面為並勵電機的等效替代電路圖。並可以得出對應的電路關係式。

Ua=(Ra+RVa)Ia+K1Φfn=Ue=(Rf+RVf)If

M=K2ΦfIa

Φf=K3If

聯立三式可得並勵電機的轉數n和轉矩M的關係式

勵磁磁通有以下關係

直流電機總的電流I為

可見當啟動狀態時(n=0,Rf>>Ra),啟動電流I0為

當電機空轉時,轉矩為0,那麼空轉轉數n0;與之對應的,轉數為0,有電機靜止轉矩 M0

那麼可以繼續改寫

串勵電機

串勵電機的電路裡,勵磁電路串聯到電樞電路上,勵磁電流等於電樞電流,兩者是相互影響的。這種情況下可以通過並聯一個可變電阻RP到勵磁電路上,來實現弱磁控制。

出轉數和轉矩關係,取正為電動機模式,取負為發電機模式。

那麼靜止電流I0和有電機靜止轉矩M0

當電流越小的時候,轉速會越來越大,不過空轉轉數不能真的按照機械特性曲線那樣逼近無窮大,持續弱磁降低電流也會降低功率,無法繼續提速。

他勵電機

前面並勵電機和串勵電機,勵磁電路都和電樞電路有關,但是他勵電機的勵磁電路是完全獨立的。可以得到關係式

空轉轉數n0和有電機靜止轉矩M0

總的來說,他勵電機和並勵電機機械特性曲線很類似。但他勵電機勵磁電路和電樞電路無關,可以很容易,更自由地調控。總的轉數控制策略是:

①在低於空轉轉數n0時,就在最大磁通下,改變最大電樞電壓UA

②在超過空轉轉數n0時,就採取弱磁控制,在最大電樞電壓UA下,逐漸降低磁通

如圖,在左側基本轉數區採取策略①,是保持恆轉矩啟動加速,功率也是恆定的;當達到空轉轉數n0時,處於中間弱磁區,採取策略②,保持恆定功率和最大電樞電壓UA,但是會因為降低了磁通,逐步減小了轉矩;在超過換向轉折點的右側弱磁區,電樞電流和轉矩持續下降,這樣才能繼續提高轉數。

永磁電機

永磁電機的等效替代電路圖和他勵電機是一樣的,而且n-M機械特性曲線也遵循了同樣的線性關係,唯一的區別就是由永磁體產生的勵磁磁通是恆定的,無法直接調節的!

由於無法調節勵磁磁通的大小,弱磁控制對於永磁直流電機來說也難以實現了。

直流電機總結

直流電機的內容到這裡基本結束,現在由於電力電子技術的發展,與高頻開關相結合的控制技術使得直流無刷電機越來越受到重視。這將是一個直流電機的發展方向,不過傳統有刷電機還是依靠結構簡單,成本低廉以及穩定耐用在廣大市場上佔據不可或缺的地位。

相關焦點

  • 直流電機的四種勵磁方式
    本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/161066.htm勵磁繞組與電樞繞組無聯接關係,而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機,接線如圖1.23(a)所示。
  • 「電機說01」從直流電機說起:機構、原理和特性
    按照換向的方式不同又分為有刷和無刷,通常大家將出現最早曾經應用最廣的有刷直流電機簡稱為直流電機,也就是這裡所說的直流電機。無刷電機無論是結構還是性能更像一臺同步電機,因此將無刷電機放在永磁同步電機後面再說。
  • 永磁電機的發展歷史及應用領域
    相應地,這段時期在永磁電機的設計理論、計算方法、充磁和製造技術等方面也都取得了突破性進展,形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。 但是,鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低(36~160 kA/m),鐵氧體永磁的剩磁密度不高(0.2~0.44 T),限制了它們在電機中的應用範圍。
  • 直流電機有哪些分類
    按照直流電機的主磁場的不同,一般可分兩大類,一類是由永久磁鐵作為主磁極;而另一類利用給主磁極繞組通人直流電產生主磁場。後一類按照主磁極繞組與電樞繞組接線方式的不同,通常可以分為他勵式和自力式兩種,自勵式又可分為並勵、串勵、復勵等幾種。
  • 有刷直流電機與無刷直流電機哪種力更大?
    微電機的力矩是一個重要的參考因素,直流電機有無刷電機和有刷電機之分,在同一型號的情況下,無刷電機的力是比有刷直流電機要大的。可以從直流電機的工作原來來看,有刷和無刷是基本相同的,主要區別是有刷直流電機是通過機械換向,而無刷直流電機是通過電子換向。
  • 直流永磁電機為什麼不把磁的兩極都用上?
    直流電機要看它的結構形式,例如由馬鞍型磁鐵組成的永磁電機,它就讓磁極的N極、S極都用上。 而且它的大小和各磁極的強度的乘積成正比,和兩個磁極之間的距離的平方成反比,這個規律就叫做磁極的庫侖定律。 這裡涉及到為什麼電機、電器都用鐵磁物質作導磁材料?因為在鐵磁物質內部,由分子電流所產生的磁場,就好像一塊塊小磁鐵,但平時這些小磁鐵排列雜亂無章,其磁性相互抵消。
  • 「自啟動永磁電機|永磁電機廠家」無刷電機的有感和無傳感器控制
    「自啟動永磁電機|永磁同步電機廠家」永磁電機的有感和無傳感器控制永磁電機具有高轉矩,高功率密度等特點。跟早期的直流有刷電機相比,具有更高的可靠性及更長的使用壽命。但是,永磁要求電磁場與轉子磁場同步。但傳感器的存在,影響了電機的使用壽命和運行穩定性,增加用戶的採購成本,也局限了永磁電機的應用領域。
  • 新能源車的電 機,永磁同步電機好還是異步電機好?
    昨天跟大家分享關於電池的一點皮毛知識,主要是想讓大家能簡單區分電池而已;今天跟大家分享一下新能源車的電機知識:電機(電動機):我們俗稱的「馬達」也是它,在電路中用字母「M」(舊標準用「D」)表示,它的主要作用是產生驅動轉矩,作為用電動汽車的動力源,依據電磁感應定律實現電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置
  • 無刷直流電機的結構與特性
    無刷直流電機的電機本體在結構上與看永磁同步電機類似,只是沒籠型繞組和它的啟動裝置。它的定子繞組可以是簡單的單相,也可以使三相以上的結構,電樞繞組的連接方式主要有星形和三角形連接兩種,電子換相電路一般有橋式和非橋式兩種,它們可以組成很多變化形式。下面就是最常見的兩兩三相星形六狀態永磁無刷直流電機的工作原理簡單分析。
  • 感應電機和串激電機、永磁電機的區別
    打開APP 感應電機和串激電機、永磁電機的區別 今日頭條 發表於 2019-10-19 10:20:49   感應電機中由於轉子總是在追趕定子旋轉磁場的轉速
  • 直流無刷電機產生轉矩波動的原因_如何降低轉矩波動
    無槽電機的電樞繞組不管採用何種形式,它的厚度始終是實際氣隙的一部分,因此無槽電機的實際等效氣隙比有槽電機要大得多,所需要的勵磁磁動勢也要大許多,這在早期限制了無槽電機的容量和發展。近年來,隨著磁性材料的迅猛發展,特別是釹鐵硼等高磁能積稀土永磁材料的應用,為無槽電機的實用化創造了條件。
  • 鮑米勒BAUMULLER直流電機調速器220v上電無反應維修方法點這裡
    1.2功率部分:電樞和勵磁迴路電樞迴路為三相橋式電路:(1)單象限工作裝置的功率部分電路為三相全控橋b6c。(2)四象限工作裝置的功率部分為兩個三相全控橋(b6)a(b6)c。勵磁迴路採用單相半控橋b2hz,額定電流15-800a的裝置(交流輸入電壓400v時,電流至1200a),電樞和勵磁迴路的功率部分為電絕緣晶閘管模塊,所以其散熱器不帶電。
  • 微型直流電機無刷馬達介紹
    微型有刷電機在微型電機中,根據結構與工作原理可以分為有刷直流電機和無刷直流電機。有刷電機的歷史最為悠久,也是至今使用最多的微型電機,微型電機運轉時,線圈與換向器旋轉,磁鋼和碳刷不轉,線圈電流方向的交替變化是隨著微型電機轉動的換向器和電刷來完成。微型電機價格較低,扭力高,結構簡單,易於維護。不過由於有刷微型電機的結構限制,它的缺點也是非常明顯的,如機械換向會與電刷產生摩擦,有電磁幹擾,特別是大型的有刷直流電機噪聲大、需要經常更換電刷。
  • 串激電機:一種交直流電通吃的電機
    電機的種類有很多,但按照供電電源來分,無非就是交流電機和直流電機。那麼有沒有既可以使用交流電源,也可以使用直流電源的電機呢?答案是:有,下面要介紹的單相串激(串勵)電機就是一種這樣的電機。單相串激(串勵)電機的機構單相串激(串勵)電機的結構與直流串勵電機的結構基本是相同的。定子由鐵心和勵磁繞組組成,轉子由鐵心、電樞繞組、換向器及轉軸組成。
  • 學術簡報|交直流混雜模式下變壓器勵磁-振動特性研究
    仿真模擬變壓器在交直流混雜模式運行的電磁特性,計算不同直流擾動下的勵磁電流與鐵心振動加速度,並對勵磁電流進行諧波分析,總結勵磁電流變化規律和鐵心振動特性之間的關係。有學者計算了永磁同步電機鐵心諧波磁場下磁致伸縮引起的電工鋼片噪聲,獲取諧波磁場與磁致伸縮及噪聲的對應關係。但是關於交直流混雜模式下變壓器勵磁狀態與鐵心振動響應的關係鮮有研究。本文針對變壓器直流擾動鐵心振動問題,研究變壓器勵磁與鐵心振動之間的關係。
  • 電動車自適應無刷直流電機控制器中MOS管應用選擇解決方案
    在電動車的發展過程中,控制器、無刷直流電動機、蓄電池一直都是制約著電動車發展的重點因素。控制器是電動車電氣系統的核心,其中最重要的就是無刷直流電機的控制系統。而無刷直流電動機以其功耗低、換向可靠、體積小、重量輕、輸出扭矩大、調速性能佳等優點,在工業控制、醫療器械、家用電器、電動車領域有廣闊的應用前景。因此,提高無刷直流電機和電機控制器的性能就成了優化新能源電動車的有效途徑。
  • 無刷直流電機那麼好,為何還是有刷直流電機應用多?
    在日常生活當中,各種家用小電器、電子產品都是需要通過微型直流電機來提供動力的,細心的人會發現,除了交流電機外,其他就是微型直流電機了,而大多數產品用的是有刷微型直流電機,比如,咖啡機、剃鬚刀、潔面儀、美容儀等,很少用到無刷微型電機,這是為什麼呢?
  • 直流電機正反極接反會燒壞電機嗎
    直流電機正反極接反能不能燒壞電機,需要根據電機的種類和型號而作判別。這個換相裝置安裝位置固定後,不管你的總電源的正負極,它應該始終朝著一個方向旋轉,所以說是不能轉動的,時間長了發熱,燒壞電機中的電子電路元器件。   直流電機不分正負極,改變電流方向可以改變轉向   直流電機可以順時針轉動,也可以逆時針轉動,轉動的方向是由電流的方向決定的,並不需要區分正極,但正負接反了,轉動的方向就改變了。
  • 無刷直流電機的特點特性、選用選型及其應用
    無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品。 無刷電機是指無電刷和換向器(或集電環)的電機,又稱無換向器電機。早在十九紀誕生電機的時候,產生的實用性電機就是無刷形式,即交流鼠籠式異步電動機,這種電動機得到了廣泛的應用。但是,異步電動機有許多無法克服的缺陷,以致電機技術發展緩慢。
  • 步進電機和直流伺服電機的十大優缺點
    步進電機是一種特殊的無刷直流電機,電磁線圈布置在電機的外部,電機的中心有一個鐵或磁芯附在軸上。通過對線圈電壓進行排序,可以以相對較低的成本實現精確的旋轉控制。控制通常是開環的,所以系統不知道電機是否失速或與控制器失去同步。