摘要：該文介紹了風輪風量的調節方式和單相無刷直流電動機的調速方式，分析了風輪與單相無刷直流電動機的匹配。對某汽車風機用單相無刷直流電動機的靜態磁場和齒槽轉矩進行了有限元仿真，對電機空載轉速一電壓關系曲線進行了仿真和測試，測試了風機系統的效率分析和測試表明小均勻氣隙有效克服了單相無刷直流電動機的起動死點，采用電動機調壓調速實現風蹙的調節有利于節能，該電動機與風輪匹配較好，使風機工作速度范圍內保持r較高的系統效率．關鍵詞：風機；單相；無刷直流電動機

0         引  言

無刷直流電動機具有良好的調速性能、壽命長、無換向火花和噪聲低等優點，但多相無刷直流電動機驅動功率器件較多，控制電路復雜，控制器成本比較高。單相永磁無刷直流電動機驅動功率器件較少，控制電路簡單，控制器成本低、可靠性高，在風機、泵、洗衣機、空調以及汽車附件等領域得到廣泛應用。

    本文在介紹風輪風壓一風量曲線的基礎上，分析了風輪與單相無刷直流電動機的匹配，列某汽車風機用單相無刷直流電動機的靜態磁場和齒槽轉矩進行了有限元仿真，對電機空載轉速一電壓關系曲線進行了仿真和測試，測試了風機系統的效率。

1風輪與單相無刷直流電動機的匹配

1．1風輪的風量調節

由流體力學可知，風輪的風量()與轉速n的一次方成正比，風壓H與轉速n的平方成正比，風輪的軸功率P與轉速n的三次方成正比，如式(1)所示圖l為風輪的風壓與風量之間的關系曲線，曲線1、2為風機在轉速n1、n2下的風壓一風量特性，曲線3、4為管網風阻特性曲線(曲線3對應風門開度為全開)。由圖1可知調節風量有兩種方式：

    (1)在電機轉速不變下調節風門開度，如電機轉速為n1，風量從Q1下降到Q2，則調節風門開度，工作點從A移到B，在曲線1上移動。在此過程中，風輪的軸功率下降不大，風壓明顯上升。(2)保持風門開度不變，調節電機轉速。如風門全開，風量從Q1下降到Q2，工作點沿曲線3從A移到c，此時風壓H明顯下降，風輪的軸功率P下降顯著。

    對比兩種風量調節方式可知，從節能方面考慮，應選用調速的方式來調節風量。

    1．2單相無刷直流電動機的調速

單相無刷直流電動機的電路示意圖如圖2所示。

    由圖2可知，電機穩態運行時，電壓回路方程如式(2)所示式中，u為電源電壓(V)，△ut為功率管壓降(V)，e為電樞繞組感應電勢(V)，R為電樞繞組電阻(Ω)，；為電樞繞組電流(A)。由式(2)可知，忽略功率管壓降和電樞繞組電阻上的壓降，電樞繞組感應電勢與電源電壓相等，因此涮節電源電壓大小可以調節電樞繞組的感應電勢，實現電機的調速。與i相無刷直流電動機一樣，通過調節功率管的PwM占空比，可以實現加在電樞繞組上的電源電壓大小，實現轉速的平滑調節。

    1.3風輪與單相無刷直流電動機的匹配

采用調速的方式實現風輪風量的調節，風量大時，電機轉速高，輸出功率大，隨著風量降低，電機轉速低，輸出功率也小。為滿足風輪驅動的需求，應按風輪風量****時的工作點來確定單相無刷直流電動機的額定功率和轉速，若風輪風量調節范圍小，則應使該電動機額定工作時效率****。若風輪風量調節范圍寬，則應使該電動機的效率在轉速調節范圍內保持較高的效率。

    單相無刷直流電動機由永磁體勵磁，其齒槽轉矩將帶來風輪的轉速脈動，導致風輪風量的變化，因此應盡量減小其齒槽轉矩。

    2磁場與定位力矩仿真分析

某汽車風機用單相無刷直流電動機的主要參數如表1所示，該電機采用外轉子結構，通過電樞表面圓周直徑的漸近線變化實現不均勻氣隙，解決電棚的韶動死問題、應用電磁場仿真分析軟件MagNet仿真得到樣機的靜態磁場如圖3所示。

圖3(a)為磁力線分布圖，圖3(b)為磁場強度分布云圖，電樞齒與電樞軛的磁密大小在O.8 T至l.2 T范圍內，轉子軛局部****磁密高達2.13 T，但考慮到機殼也能部分導磁，該值可以接受。

 

圖4為樣機的定位力矩，橫坐標為沿氣隙圓周位置deg用機械角度表示，縱坐標為定位轉矩T。

    在定轉子平衡位置點0、60、120、180、240、300。時的定位力矩不為零，這樣在定子繞組通電后，有切向力的轉矩作用，電機可以直接起動。在永磁轉子旋轉過平衡位置約9。時，定位力矩才為零，該相對于平衡位置點的角度就是電機的起動角。

    3  空載和負載特性的仿真與試驗

3．1空載特性

電機的空載轉速  電壓曲線的電磁仿真計算和實驗測試結果，仿真與測試結果在電壓為14—24 V的范圍內吻合較好，超過該范圍誤差較大，但均符合空載轉速隨電壓線性變化的關系。

    3．2負載特性

電機直接帶動風輪，保持風門全開，調節電源電壓為12 V、16 V、20 V、24 V和28 V，實驗測得的風輪負載特性如圖6所示。從中可知額定電壓24V，轉速為4464 r／min，風輪機械功率為33.5 w，考慮到風輪的效率，電機輸出功率大于額定功率40 W。

    調壓調速過程中測得的系統效率看出：在工作轉速300O r／mjn～4500r／min的范圍內，系統效率η基本處于45％左右，達到了****值；在工作轉速范圍外，系統效率都有減小。因此，若其它裝置效率基本保持恒定，則電機沒計實現了在工作轉速范圍內效率****。

    4結論

通過某汽車風機用單相無刷直流電動機的電磁分析和試驗可知：

    (1)電樞表面圓周直徑的漸近線變化實現的不均勻氣隙，解決了電機的起動死點問題；(2)該電動機與風輪匹配較好，使風機工作速度范圍內保持了較高的系統效率；(3)采用電動機調壓調速實現風機風量的調節有利于節能。