專利名稱：永磁無刷直流電機的“弱磁”調速法的制作方法
技術領域：
本發明永磁無刷直流電機的“弱磁”調速法屬于電機控制技術領域。
目前還沒有一種能對永磁無刷直流電機進行“弱磁”調速的實用和有效的方法。這是因為永磁電機靠永磁體來產生磁場，該磁場是恒定的，要改變其大小比較困難。因此長期以來永磁無刷直流電機一直被認為只能進行基速(額定轉速)以下的恒轉矩調速，而不能進行基速以上的恒功率調速，即通過“弱磁”的方法來調速。
本發明的目的是為永磁無刷直流電機提供一種既行之有效又實用方便的“弱磁”調速方法，以實現永磁電機基速以上的恒功率調速，擴大電機的調速范圍和應用場合。提高電機的工作效率和運行性能。
現以一臺2極3相的永磁無刷電機為例來說明“弱磁”調速的原理。電機每相繞組的電勢平衡方程式為u＝e＋iR其中i為每相繞組的電流，R為每相繞組的電阻，iR也就是每相繞組的電阻壓降，電機在正常運行時此值相對很小，u為外施電壓；e為每相繞組的反電勢，可由下式表示e＝L(di/dt)＋NBlv其中L為每相繞組的電感，L(di/dt)為每相繞組因電流變化而產生的“電感電勢”；N為每相繞組的導線總數，B為氣隙磁密，該磁場由永磁體產生，l為導線長度，v為導線的相對運動速度(等于電機轉子轉速)，NBlv也就是每相繞組的“運動電勢”。在電機運行時，隨著轉子位置的變化，定子繞組處于不斷地通電，斷電，反向通電，再斷電的循環工作狀態。在這樣的通電狀態下，繞組中的反電勢不但包含“運動電勢”而且還有“電感電勢”。
圖一為電機定、轉子展開圖。轉子的運動方向如圖中箭頭所示，傳統的通電方式是當轉子N極的前沿邊移動到槽中心O點處，A相開始通電，C相斷電。電機A相繞組的反電勢中既包含“運動電勢”又包含“電感電勢”。如果將A相繞組的通電位置移至齒中心O’處，此時由于A相繞組中的導線還未進入磁場，因此繞組反電勢中只有“電感電勢”，隨著轉子的運動，當N極的前沿邊移動到O點時，A相繞組已建立好電流，此時繞組中的反電勢主要是“運動電勢”。這種通電方式使得繞組在整個通電區域內的任意時刻其反電勢基本上只存在一個分量，即“電感電勢”或“運動電勢”，這樣在同樣的外施電壓下，每一個分量的值都能達到其最大值，即近似于外施電壓，既可提高電流上升速度使繞組中的電流更快地到達其設定值，又可達到提高電機轉速的目的。傳統的斷電方式是當轉子N極的后沿邊移至O點處時關斷A相繞組的通電電流，這時繞組中的電流并不是馬上到零，而是靠逆變器中的續流二極管將儲存在繞組中的電磁能量逐步釋放和消耗。當電機轉速較高時，如果轉子N極的后沿邊在到達O’點處時，A相繞組中還有電流存在，此時的電流對產生轉矩就不起作用。因此根據電機負載和轉速的實際情況，提前斷電對提高電機的工作效率和運行性能也是很重要的。
某相繞組開始通電的位置稱之為“觸發角”，而通電結束的位置稱之為“關斷角”從“觸發角”到“關斷角”之間的角度稱之為“導通角”。由此可見，根據電機轉速和負載的情況，調節“觸發角”和“關斷角”的超前量，可使電機在不同的負載條件下都能達到高效率。
本發明的思想除了適用于上述獨立控制的多相繞組永磁無刷直流電機的“弱磁”調速外，也適用于串聯繞組的電子換向永磁直流電機的“弱磁”調速。前者的工作原理如前所述，而后者是通過改變“觸發角”和“關斷角”的方法來改變串聯繞組的磁通，相當于普通直流電機靠移動電刷位置來改變磁通的大小，從而達到“弱磁”調速的目的，雖然兩者的工作原理有所不同，但其作用和效果是相同的，都達到了“弱磁“調速的目的。
本發明與現有技術比較具有如下優點1.由于改變了“觸發角”，使繞組超前導通，將通電區內反電勢中的“電感電勢”和“運動電勢”兩個分量分離。這樣在同樣的外施電壓下提高了電機的轉速，起到了“弱磁”調速的效果，克服了傳統通電方式下永磁電機只能進行恒轉矩調速的缺點，擴大了電機的調速范圍和應用場合。2.由于改變了“關斷角”，使繞組超前導通，更有效地利用了電磁能量，提高了電機的工作效率和運行性能。
圖一是本發明的原理示意中符號表示A、B、C-三相繞組的首端，x、y、z-三相繞組的尾端，o-定子槽中心位置，o’-定子齒中心位置，n-轉子運動方向，N、S-轉子永磁體的極性本發明的一個最佳實施方案是參見圖一。
永磁無刷直流電機“弱磁”調速法的中心思想是分離電機繞組反電勢中的“電感電勢”和“運動電勢”，以提高外施電壓的利用率。具體辦法是電機在基速以上進行調速時，將定子繞組的通電位置從槽中心o處移至齒中心o’處。以A相繞組為例，當轉子N極的前沿邊運動至齒中心o’處時，觸發A相繞組使其通電。將“觸發角”設置在齒中心o’處，以實現“弱磁”調速的目的，提高電機的調速范圍。同樣當轉子N極的后沿邊運動至齒中心o’處，關斷A相繞組使其斷電。將“關斷角”設置在齒中心o’處，以提高“弱磁”調速時電機的工作效率和運行性能。另外如能利用位置編碼器和微機控制技術，根據不同的轉速和負載情況適當調節“觸發角”和“關斷角”的位置，即在半個齒距范圍內調節超前通電和超前斷電的超前量o’的位置(其極限值設定在齒中心)，這樣控制效果會更佳。
權利要求
1.一種利用控制電機繞組通電的“觸發角”和“關斷角”的永磁無刷直流電機的“弱磁”調速法，其特征在于當電機轉子磁極的前沿邊進入定子繞組槽中心位置或轉子磁極后沿邊退出定子槽中心位置之前，超前開通或關斷定子繞組。
2.按權利要求1所述的永磁無刷直流電機的“弱磁”調速法其特征在于控制電機定子繞組的“觸發角”，在電機轉子磁極前沿邊進入定子繞組槽中心位置之前，超前觸發該相繞組，使繞組提前通電，其超前量應控制在半個齒距范圍內。
3.按權利要求1所述的永磁無刷直流電機的“弱磁”調速法其特征在于控制電機繞組斷電的“關斷角”，在電機轉子磁極后沿邊退出定子繞組槽中心位置之前，超前關斷該相繞組，使繞組提前斷電，其超前量應控制在半個齒距范圍內。
4.按權利要求2、3所述，永磁無刷直流電機的“弱磁”調速法其特征在于“觸發角”和“關斷角”的超前量與電機的轉速成正比，在基速以上的恒功率調速時，較高的轉速對應于較大的超前量，其極限值為半個齒距。
全文摘要
本發明涉及一項電機控制技術。它提出了一種永磁無刷直流電機的“弱磁”調速法，克服了一般永磁電機不能進行基速(額定轉速)以上的恒功率調速的缺陷。根據不同的轉速和負載情況，通過調節電機定子繞組通電和斷電的開關角度，控制其“觸發角”和“關斷角”的超前量，便可實現永磁無刷直流電機“弱磁調速”。這種方法控制簡單靈活，能有效地擴大電機的調速范圍，提高電機的運行性能和工作效率，適用于各種結構的永磁無刷直流電機。
文檔編號H02P7/00GK1115519SQ94112229
公開日1996年1月24日 申請日期1994年7月16日 優先權日1994年7月16日
發明者陳谷紅 申請人:陳谷紅