一種低成本永磁無刷雙凸極電動機
郝鶴，沈建新，付吉臻，韓俊，梅營
(浙江大學，浙江杭州310027)
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，由此町降低電機成本。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。
關鍵詞：水磁無刷雙凸極電機；低成本；無刷直流電動機
中圖分類號：TM351；TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)12—0008—03
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。
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1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：A1、A2、B1、B2。Al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：F1、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****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1所示。“+”表示電流流入，“-”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。在電樞同路中，同相繞組的兩個線圈之間串入了一只二極管，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。
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[2-3]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0。，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。
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