2.5永磁励磁直流电机

2.5.1直流电机中的永磁体

前文提到过，因为励磁绕组主要是用来提供气隙磁场的，所以如果本来就有磁体能够励磁，当然可以替代。永磁体励磁方式在直流电动机，同步电动机和步进电机等用来工业伺服的驱动，汽车辅助驱动以及在家电办公中小型设备驱动中常常得以应用，使用永磁体励磁相对于电励磁绕组有以下几个优点：

• 体积重量更小
• 工作效率更高
• 动态性能好
• 在小型设备中制造成本经济

也有一些缺点：

• 强磁材料价格昂贵
• 磁体的边缘区域会有退磁的危险
• 由于恒定磁通，难以进行弱磁控制

2.5.2永磁体的工作点

除了天然磁体，绝大多数应用永磁体都是人工磁化制造的。一个材料的磁化过程可以用磁化的迟滞曲线描述。而在第二象限的部分就是所谓的退磁曲线了。刚进入时，外加磁场强度为0此时材料保留的为剩磁   。继续加反向磁场则磁感强度持续下降，直到达到所需的工作点  。如果继续加强反向磁场，则材料的磁感强度会继续衰减，直到0，此时的磁场强度称为矫顽磁场强度   。实际工作的时候永磁体确实会被电机中电流激发的不停变化的磁场所影响，尤其是在交流电机中，总会有些许退磁，所以还有一个对环境磁场的边界要求，有边界磁场强度  。如果超过边界磁场强度那就会对永磁体产生永久性的部分退磁化。当然一般的电机正常工作过程所产生的退磁相比于由于高温所造成的退磁还是可以忽略不计的。

直接考察非线性的退磁曲线比较困难，为了简化问题可以考察一段线性的工作区域。姑且可以认为，在边界磁场强度以上的部分都是近似线性的，因为这段区域对外磁场和温升有较高稳定性。经过线性化则有磁感强度 

(6.1) 

对于永磁体的材料选择，经典的选择一直是铁氧体磁铁(Ferrit)、铝镍钴(AlNiCo)磁铁、钐钴磁体(SmCo)、钕铁硼磁体(NdFeB)等。其中钕铁硼磁体和钐钴磁体是来源于稀土元素的强磁体，对温度比较敏感，需要控制温升。而且为了避免腐蚀的损害，使用时需要在永磁材料表面做保护处理。

计算气隙永磁励磁，也是要用一个极宽内环绕的磁回路。继续保持壳体和电枢铁区域的完全磁导  以及忽略漏磁。永磁体厚度为  产生的场强为  ，应用环路定理有

(6.2) 

气隙和永磁体的有效磁通面积可以近似相等，那么根据磁通无源性可知  ，代入上式可得磁路的工作曲线为直线一次函数

(6.3) 

将它和退磁曲线  结合起来分析可以得到最终磁性材料的工作点。从图中可以看出，电枢产生正的磁动势时，工作点右移，气隙磁感强度增强；电枢产生负的磁动势时，工作点左移，气隙磁感强度减弱。

如果使用线性化的退磁曲线函数，那么改写(6.1)可得线性方程组

(6.4) 

(6.5) 

解得永磁体励磁的工作点坐标 

(6.6) 

(6.7) 

上式也就是说明，在电动机负载工作过程中，气隙磁场密度分布会由于电枢反应发生变化。如同上一章分析的一样。不同的是，永磁励磁环境的电枢反应会弱于电励磁的，因为有效气隙宽度增大为 

在进入极边缘依然有被电枢反应增强过的磁场强度，也就是说，会有退磁危险。这就要求电机设计时尺寸设计必须满足条件，使得在更大负载下也不会超过边界磁场强度  。对于永磁励磁直流电机来说，电路和电励磁是基本一致的，只是励磁电路被替代了，并且生成恒定气隙磁通  。

2.6直流电机等效替代电路图

通过改变励磁电路的设计，得到许多直流电机的变体。

• 并励电机(Nebenschlussmaschine)
• 串励电机(Reihenschlussmaschine)
• 他励磁电机(Fremderregte GM)
• 永磁励磁电机(Permanenterregte GM)

这些不同励磁方式会给直流电机的稳态以及动态工作行为和工作效率带来影响。现在只考虑稳态工作行为。并且假设换向极和补偿极绕组总是会和电枢绕组电路串联。

2.6.1并励电机

并励电机的励磁绕组和电枢绕组并联，那么在电网输电时就可以用变阻器调节电枢和励磁回路来实现转数控制，下面为并励电机的等效替代电路图。并可以得出对应的电路关系式。

联立三式可得并励电机的转数  和转矩  的关系式

(6.8) 

励磁磁通有以下关系

(6.9) 

电动机总的电流  为

(6.10) 

可见当启动状态时（  ），启动电流  为

(6.11) 

当电机空转时，转矩为0，那么空转转数  ；与之对应的，转数为0，有电机静止转矩 

(6.12) 

(6.13) 

那么可以继续改写

(6.14) 

2.6.2串励电机

串励电机的电路里，励磁电路串联到电枢电路上，励磁电流等于电枢电流，两者是相互影响的。这种情况下可以通过并联一个可变电阻  到励磁电路上，来实现弱磁控制。

解出转数和转矩关系，取正为电动机模式，取负为发电机模式。

(6.15) 

(  )

(6.16) 

那么静止电流  和有电机静止转矩 

(6.17) 

(6.18) 

当电流越小的时候，转速会越来越大，不过空转转数不能真的按照机械特性曲线那样逼近无穷大，持续弱磁降低电流也会降低功率，无法继续提速。

2.6.3他励电机

前面并励电机和串励电机，励磁电路都和电枢电路有关，但是他励电机的励磁电路是完全独立的。可以得到关系式

(6.19) 

空转转数  和有电机静止转矩 

(6.20) 

(6.21) 

总的来说，他励电机和并励电机机械特性曲线很类似。但他励电机励磁电路和电枢电路无关，可以很容易，更自由地调控。总的转数控制策略是：

• ①在低于空转转数  时，就在最大磁通下，改变最大电枢电压 
• ②在超过空转转数  时，就采取弱磁控制，在最大电枢电压  下，逐渐降低磁通

如图，在左侧基本转数区(Grunddrehzahlbereich)采取策略①，是保持恒转矩启动加速，功率也是恒定的；当达到空转转数  时，处于中间弱磁区，采取策略②，保持恒定功率和最大电枢电压  ，但是会因为降低了磁通，逐步减小了转矩；在超过换向转折点(Kommutierungsknick)的右侧弱磁区，电枢电流和转矩持续下降，这样才能继续提高转数。

2.6.4永磁电机

永磁电机的等效替代电路图和他励电机是一样的，而且n-M机械特性曲线也遵循了同样的线性关系，唯一的区别就是由永磁体产生的励磁磁通是恒定的，无法直接调节的！

(6.22) 

由于无法调节励磁磁通的大小，弱磁控制对于永磁直流电机来说也难以实现了。

2.7直流电机总结

直流电机的内容到这里基本结束，现在由于电力电子技术的发展，与高频开关相结合的控制技术使得直流无刷电机越来越受到重视。这将是一个直流电机的发展方向，不过传统有刷电机还是依靠结构简单，成本低廉以及稳定耐用在广大市场上占据不可或缺的地位。

接下来会进入交流电机的范畴，重点讨论基于旋转磁场理论的异步电机和同步电机相关。数学性更强，内容也会更加复杂，敬请大家期待吧！