一種低成本永磁無刷雙凸極電動(dòng)機(jī)
郝鶴，沈建新，付吉臻，韓俊，梅營(yíng)
(浙江大學(xué)，浙江杭州310027)
摘要：無刷直流電動(dòng)機(jī)采用電力電子器件替代傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，由于其電子電路中價(jià)格較高的大功率開關(guān)管數(shù)量多，大大提高了無刷直流電動(dòng)機(jī)的成本。這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)小功率電機(jī)尤其明顯，制約了無刷直流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步推廣。提出一種新型低成本永磁無刷雙凸極電機(jī)，能實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行，并且其大功率開關(guān)管減少到兩個(gè)，由此町降低電機(jī)成本。分析了這種電機(jī)的運(yùn)行原理，并通過有限元仿真軟件證明了其良好的運(yùn)行特性。
關(guān)鍵詞：水磁無刷雙凸極電機(jī)；低成本；無刷直流電動(dòng)機(jī)
中圖分類號(hào)：TM351；TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)12—0008—03
0引 言
目前，汽車上使用的小功率電動(dòng)機(jī)大多是永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)，它具有效率高、制造容易、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是由于電刷的存在，換向時(shí)產(chǎn)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(guó)內(nèi)外很多知名品牌的汽車廠商正試圖使用無刷直流電動(dòng)機(jī)替代傳統(tǒng)的有刷電動(dòng)機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)用電子電路替代電刷和換向器，克服了有刷電動(dòng)機(jī)的一系列問題。但是無刷直流電動(dòng)機(jī)的大功率開關(guān)管價(jià)格較高、數(shù)量較多，大大增加了成本。所以，目前無刷直流電動(dòng)機(jī)在汽車產(chǎn)業(yè)中還是難以得到廣泛應(yīng)用。同樣情況也發(fā)生在其他對(duì)電機(jī)成本有嚴(yán)格限制的應(yīng)用領(lǐng)域。
本文提出了一種新型永磁無刷雙凸極電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMBLDSM)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與這種特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相配對(duì)，可以將驅(qū)動(dòng)電路中的大功率開關(guān)管的數(shù)量降到兩個(gè)，并能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向運(yùn)行，運(yùn)行性能良好，這樣可有效降低成本，在小功率的汽車電機(jī)市場(chǎng)及其他類似的低成本應(yīng)用領(lǐng)域具有較好前景。
1 PMBLDSM的結(jié)構(gòu)和原理
1.1電機(jī)本體與驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1給出了新型PMBLDSM的結(jié)構(gòu)示意圖，采用6-4極結(jié)構(gòu)。
電機(jī)轉(zhuǎn)子有4個(gè)凸極，其結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相同，簡(jiǎn)單、可靠。定子側(cè)有6個(gè)凸極，其中4個(gè)極的長(zhǎng)度相同，另2個(gè)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1中。這些極在圓周上均勻分布，分別為：短極、長(zhǎng)極、長(zhǎng)極、短極、長(zhǎng)極、長(zhǎng)極。
在4個(gè)長(zhǎng)極上繞有4組集中線圈：A1、A2、B1、B2。Al和A2屬于A相繞組，繞制在互差180。的兩個(gè)長(zhǎng)極上，通過過橋線串聯(lián)起來。這兩個(gè)線圈通電時(shí)產(chǎn)生的磁通也是串聯(lián)的。B相情況類似。在兩個(gè)短極上也繞有兩個(gè)集中線圈：F1、F2。2個(gè)線圈串聯(lián)連接構(gòu)成F相繞組，其電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)方向相反，起到弱磁作用。設(shè)計(jì)時(shí)須控制線圈的匝數(shù)和****電流，保證永磁體不會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的退磁現(xiàn)象。所有線圈的正電流方向如圖1所示。“+”表示電流流入，“-”表示電流流出。
圖2是相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路的原理圖，這里的大功率開關(guān)管只有兩個(gè)，因此其成本較之傳統(tǒng)的雙極性無刷直流電動(dòng)機(jī)(6個(gè)功率管)低得多，也比單極性無刷直流電動(dòng)機(jī)(3個(gè)功率管)低。在續(xù)流電路中，與續(xù)流二極管串聯(lián)了一只能耗電阻，其作用是將勵(lì)磁電流迅速削減。在電樞同路中，同相繞組的兩個(gè)線圈之間串入了一只二極管，防止電樞電流反向流通。這個(gè)二極管可以放在繞組端部，也就是可以安裝在電機(jī)本體之外。
驅(qū)動(dòng)電路中的二極管數(shù)量較多。但是由于這種電機(jī)一般是小功率電機(jī)，因此二極管的價(jià)格很低，不會(huì)對(duì)總體成本造成太大影響。但是，對(duì)于功率較大的電機(jī)，二極管的價(jià)格會(huì)明顯增加，那么這種電機(jī)的低成本優(yōu)勢(shì)也就不復(fù)存在了。所以要明確這種電機(jī)的應(yīng)用范圍。
1．2電機(jī)運(yùn)行原理
新型永磁無刷雙凸極電機(jī)結(jié)合了永磁式開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)”、和永磁開關(guān)磁鏈電動(dòng)機(jī)[2-3]的特點(diǎn)，實(shí)際采用了混合勵(lì)磁的方式，通過對(duì)圖2中PA、PB兩只大功率開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)控制A、B、F三相磁場(chǎng)、產(chǎn)生有效電磁轉(zhuǎn)矩的功能。
選取電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较颍⒁詧Dl所示轉(zhuǎn)子位置為0。，則大功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)序(高電平導(dǎo)通)與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系如圖3所示。
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