一種用于高速公路隧道風(fēng)機的無刷直流電機設(shè)計與研究

馬振南

摘要 無刷直流電機具有壽命長和結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在機械產(chǎn)品中。本文設(shè)計了一種無刷直流電機，然后采用ANSYS有限元軟件建立了無刷直流電機的分析模型，分析了其磁場分布，并用MC33033作為控制芯片，利用全橋電路實現(xiàn)驅(qū)動電流換向，利用PWM技術(shù)對電機運行速度進行控制，為研究無刷直流電機驅(qū)動打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】無刷電機 磁場 全橋電路 PWM技術(shù)

無刷直流電機具有直流電機的啟動特性和調(diào)速特性的方波直流電機，其基本結(jié)構(gòu)包括電機本體、功率驅(qū)動器和傳感器，隨著電機技術(shù)、電力電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，無刷電機的技術(shù)也日趨成熟，該電機無需電刷機械換向，并具有調(diào)速范圍廣，使用壽命長和運行穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。目前，無刷電機在國防、機器人、航空航天、精密機床、高速公路隧道風(fēng)機設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

文獻[5]利用建立了永磁直流無刷電機的有限元模型，并對有齒槽和無齒槽兩種定子結(jié)構(gòu)的永磁直流無刷電動機的電磁場進行仿真，得到了磁力線分布圖及反電勢波形圖，并對仿真結(jié)果進行了分析。文獻[6]設(shè)計出一種游標永磁電機，并建立永磁電機的解析模型，然后采用有限元法進行仿真分析，與得到的解析結(jié)算結(jié)果進行比較。文獻[7]介紹了一種新型永磁型無軸承電機，采用Ansoft軟件分析了其徑向懸浮力和氣隙磁密。文獻[8]基于RS485技術(shù)開發(fā)了多臺異步電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)。

以上文獻主要研究電機的有限元模型和控制系統(tǒng)進行構(gòu)建，缺乏實驗研究。本文從設(shè)計了一款無刷直流電機，該電機定子電樞含有六個繞組，轉(zhuǎn)子上有永磁體磁鋼，為無刷直流電機提供工作所需的磁場，針對設(shè)計的無刷直流電機的磁場進行有限元分析，然后設(shè)計出控制器，對無刷電機進行調(diào)速控制，為應(yīng)用在高速公路隧道風(fēng)機做準備。

1 無刷直流電機

1.1 工作原理

無刷直流電機的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，1是定子外殼，用來安裝固定定子鐵心和軸承;2為定子鐵心，由多層硅鋼片疊壓而成;3為定子電樞三相繞組，三相繞組示意圖如圖2所示，共含有6個線圈，其中A相繞組由A1和A2線圈串聯(lián)組成，B相和C相組成與A相相同，三相繞組為多匝漆包線構(gòu)成的繞組，再用膠固化和定位，三相繞組均布在定子鐵心上;4為霍爾傳感器，用來檢測轉(zhuǎn)子的圓周位置，然后將轉(zhuǎn)子的圓周位置反饋給控制器，控制器從而控制三相繞組的通斷，使轉(zhuǎn)子與定子間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;5為軸承，用來支承轉(zhuǎn)子;6為轉(zhuǎn)子;7為轉(zhuǎn)子永磁體（磁鋼），徑向充磁，為無刷直流電機勵磁。

1.2 電機結(jié)構(gòu)

無刷直流電機的定子實物模型如圖3所示，定子外殼為鋁質(zhì)材料，定子鐵心采用有齒槽結(jié)構(gòu)，三相繞組均布在定子鐵心上，每相繞組含有2個線圈。

轉(zhuǎn)子實物如圖4所示，軸承外圈固定在定子外殼上，內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子配合裝配，永磁體磁鋼的極對數(shù)PF2，其中彈簧起到限位保護作用。

驅(qū)動器實物圖如圖5所示，根據(jù)霍爾傳感器檢測到轉(zhuǎn)子的圓周位置，控制三相逆變器的通斷，從而控制三相繞組通電次序。

2 電機的氣隙磁場計算

氣隙磁場是影響電機性能的一個重要參數(shù)，氣隙磁場分布規(guī)律是分析電機轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)，繞組和永磁體安裝示意圖如圖6所示，永磁體牌號為N35，矯頑力為890 KA/m，剩磁強度為1.1 T，相對磁導(dǎo)率為1.05，根據(jù)永磁電機磁場分布特性，假設(shè)轉(zhuǎn)子上永磁體磁鋼徑向充磁均勻。

設(shè)轉(zhuǎn)子上永磁體的磁勢為Fm，則有：

式中：Br為永磁體剩磁強度;μo為真空磁導(dǎo)率;μr為永磁體相對磁導(dǎo)率;hm為永磁體徑向厚度。

設(shè)永磁體磁阻為RM，氣隙磁阻為Rδ，根據(jù)磁路歐姆定律，則有：

式中：Pr為無刷直流電機極對數(shù);α為電機極弧系數(shù);Rc為永磁體內(nèi)半徑;Rm為永磁體外半徑;1為永磁體長度。設(shè)氣隙磁通量為Φδ，則有：

設(shè)圓周半徑為R處繞組的最大磁通密度為Ba （R），則有：

式中：R為繞組圓周徑向半徑，且Rm

聯(lián)立式（2）至式（5），故有：

電機轉(zhuǎn)子氣隙磁場接近正弦磁場，因此平均氣隙磁感應(yīng)強度Bδ，則有：

3 電機氣隙磁場仿真分析

有限元法可以有效的研究無刷直流電機的相關(guān)性能參數(shù)，在ANSYS中建立無刷直流電機的有限元模型。工作時定子繞組中通入電流，會產(chǎn)生一定強度的磁場，而轉(zhuǎn)子永磁體上面貼式安裝的稀土釹鐵硼永磁體，也會產(chǎn)生一定強度的磁場，因此，無刷直流電機的氣隙磁場是定子繞組和轉(zhuǎn)子鐵心上的永磁體產(chǎn)生的混合磁場，當繞組電流為O時，永磁體產(chǎn)生的磁場如圖7所示。

當無刷直流電機定子繞組中未加載電流時，氣隙磁場最大值大約為0.24T，遠小于理想充磁效果，這說明轉(zhuǎn)子永磁體磁鋼漏磁較為嚴重。

4 PWM調(diào)速分析與應(yīng)用

逆變器的導(dǎo)通并非連續(xù)，而是在一個特定的頻率下以方波脈沖的形式提供導(dǎo)通信號。當電機工作在全速時，輸出波形狀態(tài)如圖8（a）所示，此時控制信號的PWM占空比為100%，流經(jīng)定子繞組的平均電流最大。當需要調(diào)速時，控制器的逆變器導(dǎo)通時間和頻率發(fā)生改變，從而改變PWM波的占空比，實現(xiàn)電機調(diào)速。如若將電機轉(zhuǎn)速調(diào)低至最大轉(zhuǎn)速的一半，則將下驅(qū)動橋的脈沖占空比調(diào)制50%，PWM波形如圖8（b）所示。

將無刷直流電機應(yīng)用于隧道研究模型的風(fēng)機驅(qū)動上，并進行調(diào)速模擬實際工作情況，實際應(yīng)用如圖9所示。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了一款無刷直流電機結(jié)構(gòu)，采用有限元方法建立其分析模型，研究了轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場特征。

（2）設(shè)計出無刷直流電機的速度控制系統(tǒng)，并研究不同占空比下的PWM波形，以及PWM不同占空比下電機的速度變化規(guī)律，為驅(qū)動高速公路隧道風(fēng)機電機打下基礎(chǔ)。

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