电机内磁场的增磁和去磁控制

一、前言

在工科电类本科生的电机课程里，有电机弱磁调速控制的知识点。该课程主要讲述了电机弱磁调速的外在运行特性（速度特性、转矩特性），但没有讲述如何完成电机的弱磁调速。

今天，我们就电机的去磁（弱磁）和充磁（增磁）技术，进行介绍。本次介绍的电机调磁技术，只是电机调磁的方法之一（哈哈）。

如下图1所示，是永磁体增磁或去磁的过程。假如向永磁体施加正向的外加磁场，则会使永磁体材料本身产生充磁现象，譬如从P3点经Pm1到P1点（图1的蓝色剪头曲线所示）；假如向永磁体施加负向的外加磁场，则会使永磁体材料本身产生去磁现象，譬如从P1点经Pd1到P3点（图1的红色剪头曲线所示）。

若是对永磁体材料进行反向充磁，则此现象将会发生在图1所示的第三象限和第四象限之中。

另外，负载线表示永磁体始终处于外加磁场之中（譬如电机在运行之中）。

图 1 永磁体充磁（增磁或去磁）的过程

二、理论仿真

如下图2所示，是采用电磁场分析和计算软件ANSYS Electronics 2019，对新型磁通切换永磁电机进行二维有限元网格剖分，为下一步的仿真计算和分析，奠定基础。

图 2 新型磁通切换永磁电机有限元计算的网格剖分

如下图3所示，是在图2的有限元计算的网格剖分之后，通过仿真计算软件ANSYS Electronics 2019获得了新型磁通切换永磁电机增磁和去磁情况下的磁场分布情况。

其中，图3（a）是新型磁通切换永磁电机在增磁情况下的磁通分布，图3（b）是新型磁通切换永磁电机在去磁情况下的磁通分布。对比二者可得，新型磁通切换永磁电机的增磁和去磁情况下的磁通量存在很大差异，这将会影响电机绕组的磁通量和感应电动势，进而影响电机的控制效果。

（a）增磁

（b）去磁

图 3 新型磁通切换永磁电机的增磁和去磁仿真

如下图4所示，是新型磁通切换永磁电机增磁过程的感应电动势，增磁持续时间是45ms，增磁电流是12A。比较和分析可得：在新型磁通切换永磁电机增磁之前，其单相感应电动势是13.68V；增磁之后，其感应电动势增加至29.2V。

另外，当增磁电流达到15A的时候，新型磁通切换永磁电机的感应电动势增至32.5V。因此，在较大增磁电流的情况下，不易产生较大的感应电动势。产生这种现象的原因，主要是永磁体LNG52本身就存在去磁效应（撤销增磁电流之后），且永磁体LNG52的矫顽力也不是太大。

图 4 新型磁通切换永磁电机增磁过程的感应电动势

三、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（另外阐述，假如您感兴趣），加工制作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，该硬件实验测试系统，主要包括直流电源、驱动器、控制器、两种磁通切换永磁电机、伺服电机、增磁和去磁装置、示波器、电流钳、转矩转速测试仪、编程器（电脑）组成。

（a）磁通切换永磁记忆电机三维结构

图 5 新型磁通切换永磁电机增磁和去磁的硬件平台

图6示出了电机增磁和去磁控制的硬件实验测试结果。由图6（a）和图6（b）可得，在1000转/分钟的情况下，新型磁通切换永磁电机的最大去磁感应电动势幅值是15.6V，最大增磁能力的感应电动势幅值是30.6V，这充分表明新型磁通切换永磁电机具备较大的调磁空间。

(a）新型磁通切换永磁电机的去磁测试

（c）新型磁通切换永磁电机的增磁测试

图6 新型磁通切换永磁电机增磁和去磁的实验测试结果

图7示出了本实验测试平台自主搭建的电机内的永磁体（LNG52）去磁和增磁的实验装置控制系统。

图7 永磁体（LNG52）去磁和增磁的控制系统