馬振南

摘要 無刷直流電機具有壽命長和結構簡單等諸多優(yōu)點，廣泛應用在機械產品中。本文設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)驅動電流換向，利用PWM技術對電機運行速度進行控制，為研究無刷直流電機驅動打下基礎。

【關鍵詞】無刷電機 磁場 全橋電路 PWM技術

無刷直流電機具有直流電機的啟動特性和調速特性的方波直流電機，其基本結構包括電機本體、功率驅動器和傳感器，隨著電機技術、電力電子技術、數(shù)字控制技術和傳感器技術的發(fā)展和應用，無刷電機的技術也日趨成熟，該電機無需電刷機械換向，并具有調速范圍廣，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、高速公路隧道風機設備等領域得到了廣泛應用。

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構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，并對仿真結果進行了分析。文獻[6]設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，與得到的解析結算結果進行比較。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技術開發(fā)了多臺異步電機的變頻調速系統(tǒng)。

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

1 無刷直流電機

1.1 工作原理

無刷直流電機的結構模型如圖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，用來檢測轉子的圓周位置，然后將轉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，使轉子與定子間產生連續(xù)轉矩;5為軸承，用來支承轉子;6為轉子;7為轉子永磁體（磁鋼），徑向充磁，為無刷直流電機勵磁。

1.2 電機結構

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

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

驅動器實物圖如圖5所示，根據(jù)霍爾傳感器檢測到轉子的圓周位置，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)律是分析電機轉矩的基礎，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，相對磁導率為1.05，根據(jù)永磁電機磁場分布特性，假設轉子上永磁體磁鋼徑向充磁均勻。

設轉子上永磁體的磁勢為Fm，則有：

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

設永磁體磁阻為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為永磁體內半徑;Rm為永磁體外半徑;1為永磁體長度。設氣隙磁通量為Φδ，則有：

設圓周半徑為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：

電機轉子氣隙磁場接近正弦磁場，因此平均氣隙磁感應強度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，會產生一定強度的磁場，而轉子永磁體上面貼式安裝的稀土釹鐵硼永磁體，也會產生一定強度的磁場，因此，無刷直流電機的氣隙磁場是定子繞組和轉子鐵心上的永磁體產生的混合磁場，當繞組電流為O時，永磁體產生的磁場如圖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，這說明轉子永磁體磁鋼漏磁較為嚴重。

4 PWM調速分析與應用

逆變器的導通并非連續(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%，流經定子繞組的平均電流最大。當需要調速時，控制器的逆變器導通時間和頻率發(fā)生改變，從而改變PWM波的占空比，實現(xiàn)電機調速。如若將電機轉速調低至最大轉速的一半，則將下驅動橋的脈沖占空比調制50%，PWM波形如圖8（b）所示。

將無刷直流電機應用于隧道研究模型的風機驅動上，并進行調速模擬實際工作情況，實際應用如圖9所示。

5 結論

（1）設計了一款無刷直流電機結構，采用有限元方法建立其分析模型，研究了轉子永磁體產生的氣隙磁場特征。

（2）設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，為驅動高速公路隧道風機電機打下基礎。

參考文獻

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