北京永光高特微電機有限公司
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一種低成本永磁無刷雙凸極電動機

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3512


   摘要:無刷直流電動機采用電力電子器件替代傳統直流電動機的機械換向裝置,具有諸多優點。但是,由于其電子電路中價格較高的大功率開關管數量多,大大提高了無刷直流電動機的成本。這個缺點對小功率電機尤其明顯,制約了無刷直流電動機的進一步推廣。提出一種新型低成本永磁無刷雙凸極電機,能實現雙向運行。并且其大功率開關管減少到兩個,由此可降低電機成本。分析了這種電機的運行原理.并通過有限元仿真軟件證明了其

良好的運行特性。

0引  言

   目前,汽車上使用的小功率電動機大多是永磁有刷直流電動機,它具有效率高、制造容易、成本低等優點,但是由于電刷的存在,換向時產生的電火花、電磁干擾及電刷磨損等問題一直沒有得到很好解決。所以國內外很多知名品牌的汽車廠商正試圖使用無刷直流電動機替代傳統的有刷電動機。無刷直流電動機用電子電路替代電刷和換向器,克服了有刷電動機的一系列問題。但是無刷直流電動機的大功率開關管價格較高、數量較多,大大增加了成本。所以,目前無刷直流電動機在汽車產業中還是難以得到廣泛應用。同樣情況也發生在其他對電機成本有嚴格限制的應用領域。

   本文提出了一種新型永磁無刷雙凸極電動機(以下簡稱PMBLDSM)的拓撲結構,與這種特殊拓撲結構相配對,可以將驅動電路中的大功率開關管的數量降到兩個,并能實現電機的雙向運行,運行性能良好,這樣可有效降低成本,在小功率的汽車電機市場及其他類似的低成本應用領域具有較好前景。

1 PMBLDSM的結構和原理

1.1電機本體與驅動器拓撲結構

   圖1給出了新型PMBLDSM的結構示意圖,采用6—4極結構。

   圖1新型永磁無刷雙凸極電動機結構圖

   電機轉子有4個凸極,其結構與開關磁阻電動機相同,簡單、可靠。定子側有6個凸極,其中4個極的長度相同,另2個極較短。在短極頂部粘貼有永磁體,如圖1中的黑色磁瓦所示,其極性也示于圖l中。這些極在圓周上均勻分布,分別為:短極、長極、長極、短極、長極、長極。

   在4個長極上繞有4組集中線圈:Al、A2、B1、B2。A1和A2屬于A相繞組,繞制在互差180°的兩個長極上,通過過橋線串聯起來。這兩個線圈通電時產生的磁通也是串聯的。B相情況類似。在兩個短極上也繞有兩個集中線圈:Fl、F2。2個線圈串聯連接構成F相繞組,其電流產生的磁場與永磁體磁場方向相反,起到弱磁作用。設計時須控制線圈的匝數和最大電流,保證永磁體不會發生不可恢復的退磁現象。所有線圈的正電流方向如圖l所示?!?”表示電流流人,“一”表示電流流出。

   圖2是相應驅動電路的原理圖,這里的大功率開關管只有兩個,因此其成本較之傳統的雙極性無刷直流電動機(6個功率管)低得多,也比單極性無刷直流電動機(3個功率管)低。在續流電路中,與續流二極管串聯了一只能耗電阻,其作用是將勵磁電流迅速削減。在電樞回路中,同相繞組的兩個線圈之間串人了一只二極管,防止電樞電流反向流通。這個二極管可以放在繞組端部,也就是可以安裝在電機本體之外。

   驅動電路中的二極管數量較多。但是由于這種電機一般是小功率電機,因此二極管的價格很低,不會對總體成本造成太大影響。但是,對于功率較大的電機,二極管的價格會明顯增加,那么這種電機的低成本優勢也就不復存在了。所以要明確這種電機的應用范圍.

    圖2驅動電路原理圖

1.2電機運行原理

   新型永磁無刷雙凸極電機結合了永磁式開關磁阻電動機和永磁開關磁鏈電動機的特點,實際采用了混合勵磁的方式.通過對圖2中PA、PB兩只大功率開關管的通斷,實現控制A、B、F三相磁場、產生有效電磁轉矩的功能。

   選取電機逆時針旋轉方向為正方向,并以圖l所示轉子位置為O°,則大功率開關管的導通時序(高電平導通)與轉子位置的關系如圖3所示。

   圖3大功率開關管的導通時序

   電機運行原理如下:

(1)在起動之前,線圈中沒有通過電流。只要轉子所受阻尼和外力較小,永磁體產生的定位力矩總能將轉子保持在圖4所示的位置(定義轉子位置角為0°)。圖中左右不完全對稱,這是因為兩個短極的高度略有不同。在有限元分析中,為了更好地求解電機氣隙磁場,人為地將氣隙分成了三層,所以圖4中氣隙部位變成了黑色區域.實際是三層空氣。圖5~圖7的情況相同。

 圖4電機仞始位置的定位

   (2)如圖5所示.當轉子位于0°~30°時,開關管PB導通,PA關斷。此時電機定子B相和F相繞組通電,F相電流削弱永磁體磁場(并不完全抵消),而B相電流建立起B相磁場。在兩相電流及永磁體的共同作用下,根據磁阻最小原理,轉子正方向旋轉,很顯然,永磁體磁場產生的是負轉矩,F繞組電流則削弱該負轉矩,而B相繞組電流產生的是正轉矩,總的電磁轉矩是正的,當然,會存在轉矩波動。在轉子正向旋轉過程中,永磁體產生的磁場越來越弱,因為其磁通路徑的磁阻越來越大;相反地,B相繞組產生的磁場則越來越強。在電磁轉矩和轉

子慣性的作用下,轉子轉至30°位置,則大功率開關管進入下一狀態。

   圖5轉子位于0°一30°時磁場分布

   (3)如圖6所示,當轉子位于30°一60°時,大功率開關管PA導通,PB關斷。B相電流由于電感的作用而通過二極管續流,這時其產生的轉矩是負的,因此希望盡快降低到零。所以在續流電路中配置了能耗電阻。仿真表明,這個能耗電阻的效果非常明顯,可以通過仿真和試驗的手段來確定該電阻的阻值和功率。在轉子位置30°~60°期間,電機定子A相和F相通電。F相電流繼續削弱永磁體勵磁,A相電流建立起A相磁場,在兩相電流及永磁體的共同作用下,轉子繼續受到正向電磁轉矩作用而運轉,直至60°位置。需要說明的是,在上一個狀態(轉子位于0°~30°),F相繞組已經建立了電流,在本狀態F相繞組繼續通電,因此其電流會繼續增大,以致F相繞組的磁動勢會超過永磁體的磁動勢,這樣,理論上有可能造成永磁體失磁。但是,此時永磁體面對的是轉子的大槽開口,磁阻很大,所以F相繞組產生的磁鏈不再穿過永磁體而直接向兩側進入轉子齒,如圖6所示,因為這樣磁阻相對較小一些。

同時,永磁體自身產生的磁鏈形成局部漏磁路。有限元分析表明,永磁體中的實際磁場方向與充磁方向一致,說明F繞組的反向磁動勢雖然很大,但尚未引起永磁體失磁。

   圖6轉子位于30°~60°時磁場分布

   (4)如圖7所示,當轉子位于60°~90°時,大功率開關管PA和PB均關斷。A相電流在續流時產生的是負轉矩,因此也通過能耗電阻盡快降到零。此時三相繞組中均無電流,而永磁體磁場產生的是正轉矩。這樣轉子繼續正方向旋轉,直至90°位置。之后再重復第二步工作狀態。

    圖7轉子位于60°~90°時磁場分布

   由于繞組電感的影響,關斷相的電流續流總是需要一定的時間,因此總會產生一定的負轉矩。同樣,開通相的電流建立也需要一定的時間,在此期間該電流產生的轉矩還不足。為了解決這個問題,實際需要超前觸發,即將大功率開關管的觸發狀態相對轉子位置前移一定的角度。對所設計的電機,仿真結果表明超前觸發10°可以帶來最佳效果。

2樣機設計與仿真

以汽車冷卻風扇的電機為應用背景,如圖8所示。這種電機原本采用永磁有刷直流電動機。由于風扇本身噪聲較大,電機本體的噪聲相對弱得多。而且風扇對轉速的平穩性并無嚴格要求,且風葉的轉動慣量較大,即使電機的電磁轉矩有較大的脈動,也是可以接受的。本文介紹的PMBLDSM非常適合替代,可在成本未明顯增加的情況下實現無刷化,降低電機的維護要求,提高使用壽命。

 圖8汽車冷卻風扇

   所設計電機的額定參數為:直流電壓U=12 V,功率P=48 W,轉速n=1 150 r/min。

   根據這些指標,采用原永磁有刷直流電動機的外形尺寸和安裝尺寸,設計PMBLDSM,其有效尺寸和參數如下:轉子外半徑為30 mm,定子外半徑為55 mm,定子長極(A極、B極)內半徑為31 mm,定子短極(F1極),內半徑為34 mm,定子短極(F2極)內半徑為33 mm,磁瓦厚度為2 mm,定子軛厚為3mm,線圈匝數為50。

   利用InfolyticaMAGNET軟件進行有限元電磁場仿真,獲得帶額定載起動特性,如圖9所示。

    圖9電機起動過程

   從仿真結果可以看出,采用該結構的永磁無刷雙凸極電機具有較好的起動性能,在250 ms左右電機達到穩定狀態。

   電機穩態運行時存在一定的轉速脈動,這是因為在仿真中只計及電機轉子本身的轉動慣量,比較小。實際應用中,再加上風葉的轉動慣量,轉速波動將減小。該電機性能能夠滿足要求。

3結語

   本文分析了一種新型永磁無刷雙凸極電動機的結構和運行原理。結合汽車用小功率風扇電機的特點,在將驅動電路中的大功率開關管數量減少到兩個且有效降低成本的同時,電機性能仍能滿足要求。這對實現汽車用無刷直流電動機的產業化有一定的積極意義。

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