一种低成本永磁无刷双凸极电动机

   摘要：无刷直流电动机采用电力电子器件替代传统直流电动机的机械换向装置，具有诸多优点。但是，由于其电子电路中价格较高的大功率开关管数量多，大大提高了无刷直流电动机的成本。这个缺点对小功率电机尤其明显，制约了无刷直流电动机的进一步推广。提出一种新型低成本永磁无刷双凸极电机，能实现双向运行。并且其大功率开关管减少到两个，由此可降低电机成本。分析了这种电机的运行原理．并通过有限元仿真软件证明了其

良好的运行特性。

0引  言

   目前，汽车上使用的小功率电动机大多是永磁有刷直流电动机，它具有效率高、制造容易、成本低等优点，但是由于电刷的存在，换向时产生的电火花、电磁干扰及电刷磨损等问题一直没有得到很好解决。所以国内外很多知名品牌的汽车厂商正试图使用无刷直流电动机替代传统的有刷电动机。无刷直流电动机用电子电路替代电刷和换向器，克服了有刷电动机的一系列问题。但是无刷直流电动机的大功率开关管价格较高、数量较多，大大增加了成本。所以，目前无刷直流电动机在汽车产业中还是难以得到广泛应用。同样情况也发生在其他对电机成本有严格限制的应用领域。

   本文提出了一种新型永磁无刷双凸极电动机(以下简称PMBLDSM)的拓扑结构，与这种特殊拓扑结构相配对，可以将驱动电路中的大功率开关管的数量降到两个，并能实现电机的双向运行，运行性能良好，这样可有效降低成本，在小功率的汽车电机市场及其他类似的低成本应用领域具有较好前景。

1 PMBLDSM的结构和原理

1．1电机本体与驱动器拓扑结构

   图1给出了新型PMBLDSM的结构示意图，采用6—4极结构。

  图1新型永磁无刷双凸极电动机结构图

   电机转子有4个凸极，其结构与开关磁阻电动机相同，简单、可靠。定子侧有6个凸极，其中4个极的长度相同，另2个极较短。在短极顶部粘贴有永磁体，如图1中的黑色磁瓦所示，其极性也示于图l中。这些极在圆周上均匀分布，分别为：短极、长极、长极、短极、长极、长极。

   在4个长极上绕有4组集中线圈：Al、A2、B1、B2。A1和A2属于A相绕组，绕制在互差180°的两个长极上，通过过桥线串联起来。这两个线圈通电时产生的磁通也是串联的。B相情况类似。在两个短极上也绕有两个集中线圈：Fl、F2。2个线圈串联连接构成F相绕组，其电流产生的磁场与永磁体磁场方向相反，起到弱磁作用。设计时须控制线圈的匝数和最大电流，保证永磁体不会发生不可恢复的退磁现象。所有线圈的正电流方向如图l所示。“+”表示电流流人，“一”表示电流流出。

   图2是相应驱动电路的原理图，这里的大功率开关管只有两个，因此其成本较之传统的双极性无刷直流电动机(6个功率管)低得多，也比单极性无刷直流电动机(3个功率管)低。在续流电路中，与续流二极管串联了一只能耗电阻，其作用是将励磁电流迅速削减。在电枢回路中，同相绕组的两个线圈之间串人了一只二极管，防止电枢电流反向流通。这个二极管可以放在绕组端部，也就是可以安装在电机本体之外。

   驱动电路中的二极管数量较多。但是由于这种电机一般是小功率电机，因此二极管的价格很低，不会对总体成本造成太大影响。但是，对于功率较大的电机，二极管的价格会明显增加，那么这种电机的低成本优势也就不复存在了。所以要明确这种电机的应用范围．

   图2驱动电路原理图

1．2电机运行原理

   新型永磁无刷双凸极电机结合了永磁式开关磁阻电动机和永磁开关磁链电动机的特点，实际采用了混合励磁的方式．通过对图2中PA、PB两只大功率开关管的通断，实现控制A、B、F三相磁场、产生有效电磁转矩的功能。

   选取电机逆时针旋转方向为正方向，并以图l所示转子位置为O°，则大功率开关管的导通时序(高电平导通)与转子位置的关系如图3所示。

  图3大功率开关管的导通时序

   电机运行原理如下：

(1)在起动之前，线圈中没有通过电流。只要转子所受阻尼和外力较小，永磁体产生的定位力矩总能将转子保持在图4所示的位置(定义转子位置角为0°)。图中左右不完全对称，这是因为两个短极的高度略有不同。在有限元分析中，为了更好地求解电机气隙磁场，人为地将气隙分成了三层，所以图4中气隙部位变成了黑色区域．实际是三层空气。图5～图7的情况相同。

图4电机仞始位置的定位

   (2)如图5所示．当转子位于0°～30°时，开关管PB导通，PA关断。此时电机定子B相和F相绕组通电，F相电流削弱永磁体磁场(并不完全抵消)，而B相电流建立起B相磁场。在两相电流及永磁体的共同作用下，根据磁阻最小原理，转子正方向旋转，很显然，永磁体磁场产生的是负转矩，F绕组电流则削弱该负转矩，而B相绕组电流产生的是正转矩，总的电磁转矩是正的，当然，会存在转矩波动。在转子正向旋转过程中，永磁体产生的磁场越来越弱，因为其磁通路径的磁阻越来越大；相反地，B相绕组产生的磁场则越来越强。在电磁转矩和转

子惯性的作用下，转子转至30°位置，则大功率开关管进入下一状态。

  图5转子位于0°一30°时磁场分布

   (3)如图6所示，当转子位于30°一60°时，大功率开关管PA导通，PB关断。B相电流由于电感的作用而通过二极管续流，这时其产生的转矩是负的，因此希望尽快降低到零。所以在续流电路中配置了能耗电阻。仿真表明，这个能耗电阻的效果非常明显，可以通过仿真和试验的手段来确定该电阻的阻值和功率。在转子位置30°～60°期间，电机定子A相和F相通电。F相电流继续削弱永磁体励磁，A相电流建立起A相磁场，在两相电流及永磁体的共同作用下，转子继续受到正向电磁转矩作用而运转，直至60°位置。需要说明的是，在上一个状态(转子位于0°～30°)，F相绕组已经建立了电流，在本状态F相绕组继续通电，因此其电流会继续增大，以致F相绕组的磁动势会超过永磁体的磁动势，这样，理论上有可能造成永磁体失磁。但是，此时永磁体面对的是转子的大槽开口，磁阻很大，所以F相绕组产生的磁链不再穿过永磁体而直接向两侧进入转子齿，如图6所示，因为这样磁阻相对较小一些。

同时，永磁体自身产生的磁链形成局部漏磁路。有限元分析表明，永磁体中的实际磁场方向与充磁方向一致，说明F绕组的反向磁动势虽然很大，但尚未引起永磁体失磁。

  图6转子位于30°～60°时磁场分布

   (4)如图7所示，当转子位于60°～90°时，大功率开关管PA和PB均关断。A相电流在续流时产生的是负转矩，因此也通过能耗电阻尽快降到零。此时三相绕组中均无电流，而永磁体磁场产生的是正转矩。这样转子继续正方向旋转，直至90°位置。之后再重复第二步工作状态。

   图7转子位于60°～90°时磁场分布

   由于绕组电感的影响，关断相的电流续流总是需要一定的时间，因此总会产生一定的负转矩。同样，开通相的电流建立也需要一定的时间，在此期间该电流产生的转矩还不足。为了解决这个问题，实际需要超前触发，即将大功率开关管的触发状态相对转子位置前移一定的角度。对所设计的电机，仿真结果表明超前触发10°可以带来最佳效果。

2样机设计与仿真

以汽车冷却风扇的电机为应用背景，如图8所示。这种电机原本采用永磁有刷直流电动机。由于风扇本身噪声较大，电机本体的噪声相对弱得多。而且风扇对转速的平稳性并无严格要求，且风叶的转动惯量较大，即使电机的电磁转矩有较大的脉动，也是可以接受的。本文介绍的PMBLDSM非常适合替代，可在成本未明显增加的情况下实现无刷化，降低电机的维护要求，提高使用寿命。

图8汽车冷却风扇

   所设计电机的额定参数为：直流电压U=12 V，功率P=48 W，转速n=1 150 r／min。

   根据这些指标，采用原永磁有刷直流电动机的外形尺寸和安装尺寸，设计PMBLDSM，其有效尺寸和参数如下：转子外半径为30 mm，定子外半径为55 mm，定子长极(A极、B极)内半径为31 mm，定子短极(F1极)，内半径为34 mm，定子短极(F2极)内半径为33 mm，磁瓦厚度为2 mm，定子轭厚为3mm，线圈匝数为50。

   利用InfolyticaMAGNET软件进行有限元电磁场仿真，获得带额定载起动特性，如图9所示。

   图9电机起动过程

   从仿真结果可以看出，采用该结构的永磁无刷双凸极电机具有较好的起动性能，在250 ms左右电机达到稳定状态。

   电机稳态运行时存在一定的转速脉动，这是因为在仿真中只计及电机转子本身的转动惯量，比较小。实际应用中，再加上风叶的转动惯量，转速波动将减小。该电机性能能够满足要求。

3结语

   本文分析了一种新型永磁无刷双凸极电动机的结构和运行原理。结合汽车用小功率风扇电机的特点，在将驱动电路中的大功率开关管数量减少到两个且有效降低成本的同时，电机性能仍能满足要求。这对实现汽车用无刷直流电动机的产业化有一定的积极意义。