一种用于高速公路隧道风机的无刷直流电机设计与研究

马振南

摘要 无刷直流电机具有寿命长和结构简单等诸多优点，广泛应用在机械产品中。本文设计了一种无刷直流电机，然后采用ANSYS有限元软件建立了无刷直流电机的分析模型，分析了其磁场分布，并用MC33033作为控制芯片，利用全桥电路实现驱动电流换向，利用PWM技术对电机运行速度进行控制，为研究无刷直流电机驱动打下基础。

【关键词】无刷电机 磁场 全桥电路 PWM技术

无刷直流电机具有直流电机的启动特性和调速特性的方波直流电机，其基本结构包括电机本体、功率驱动器和传感器，随着电机技术、电力电子技术、数字控制技术和传感器技术的发展和应用，无刷电机的技术也日趋成熟，该电机无需电刷机械换向，并具有调速范围广，使用寿命长和运行稳定等诸多优点。目前，无刷电机在国防、机器人、航空航天、精密机床、高速公路隧道风机设备等领域得到了广泛应用。

文献[5]利用建立了永磁直流无刷电机的有限元模型，并对有齿槽和无齿槽两种定子结构的永磁直流无刷电动机的电磁场进行仿真，得到了磁力线分布图及反电势波形图，并对仿真结果进行了分析。文献[6]设计出一种游标永磁电机，并建立永磁电机的解析模型，然后采用有限元法进行仿真分析，与得到的解析结算结果进行比较。文献[7]介绍了一种新型永磁型无轴承电机，采用Ansoft软件分析了其径向悬浮力和气隙磁密。文献[8]基于RS485技术开发了多台异步电机的变频调速系统。

以上文献主要研究电机的有限元模型和控制系统进行构建，缺乏实验研究。本文从设计了一款无刷直流电机，该电机定子电枢含有六个绕组，转子上有永磁体磁钢，为无刷直流电机提供工作所需的磁场，针对设计的无刷直流电机的磁场进行有限元分析，然后设计出控制器，对无刷电机进行调速控制，为应用在高速公路隧道风机做准备。

1 无刷直流电机

1.1 工作原理

无刷直流电机的结构模型如图1所示，1是定子外壳，用来安装固定定子铁心和轴承;2为定子铁心，由多层硅钢片叠压而成;3为定子电枢三相绕组，三相绕组示意图如图2所示，共含有6个线圈，其中A相绕组由A1和A2线圈串联组成，B相和C相组成与A相相同，三相绕组为多匝漆包线构成的绕组，再用胶固化和定位，三相绕组均布在定子铁心上;4为霍尔传感器，用来检测转子的圆周位置，然后将转子的圆周位置反馈给控制器，控制器从而控制三相绕组的通断，使转子与定子间产生连续转矩;5为轴承，用来支承转子;6为转子;7为转子永磁体（磁钢），径向充磁，为无刷直流电机励磁。

1.2 电机结构

无刷直流电机的定子实物模型如图3所示，定子外壳为铝质材料，定子铁心采用有齿槽结构，三相绕组均布在定子铁心上，每相绕组含有2个线圈。

转子实物如图4所示，轴承外圈固定在定子外壳上，内圈与转子配合装配，永磁体磁钢的极对数PF2，其中弹簧起到限位保护作用。

驱动器实物图如图5所示，根据霍尔传感器检测到转子的圆周位置，控制三相逆变器的通断，从而控制三相绕组通电次序。

2 电机的气隙磁场计算

气隙磁场是影响电机性能的一个重要参数，气隙磁场分布规律是分析电机转矩的基础，绕组和永磁体安装示意图如图6所示，永磁体牌号为N35，矫顽力为890 KA/m，剩磁强度为1.1 T，相对磁导率为1.05，根据永磁电机磁场分布特性，假设转子上永磁体磁钢径向充磁均匀。

设转子上永磁体的磁势为Fm，则有：

式中：Br为永磁体剩磁强度;μo为真空磁导率;μr为永磁体相对磁导率;hm为永磁体径向厚度。

设永磁体磁阻为RM，气隙磁阻为Rδ，根据磁路欧姆定律，则有：

式中：Pr为无刷直流电机极对数;α为电机极弧系数;Rc为永磁体内半径;Rm为永磁体外半径;1为永磁体长度。设气隙磁通量为Φδ，则有：

设圆周半径为R处绕组的最大磁通密度为Ba （R），则有：

式中：R为绕组圆周径向半径，且Rm

联立式（2）至式（5），故有：

电机转子气隙磁场接近正弦磁场，因此平均气隙磁感应强度Bδ，则有：

3 电机气隙磁场仿真分析

有限元法可以有效的研究无刷直流电机的相关性能参数，在ANSYS中建立无刷直流电机的有限元模型。工作时定子绕组中通入电流，会产生一定强度的磁场，而转子永磁体上面贴式安装的稀土钕铁硼永磁体，也会产生一定强度的磁场，因此，无刷直流电机的气隙磁场是定子绕组和转子铁心上的永磁体产生的混合磁场，当绕组电流为O时，永磁体产生的磁场如图7所示。

当无刷直流电机定子绕组中未加载电流时，气隙磁场最大值大约为0.24T，远小于理想充磁效果，这说明转子永磁体磁钢漏磁较为严重。

4 PWM调速分析与应用

逆变器的导通并非连续，而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供导通信号。当电机工作在全速时，输出波形状态如图8（a）所示，此时控制信号的PWM占空比为100%，流经定子绕组的平均电流最大。当需要調速时，控制器的逆变器导通时间和频率发生改变，从而改变PWM波的占空比，实现电机调速。如若将电机转速调低至最大转速的一半，则将下驱动桥的脉冲占空比调制50%，PWM波形如图8（b）所示。

将无刷直流电机应用于隧道研究模型的风机驱动上，并进行调速模拟实际工作情况，实际应用如图9所示。

5 结论

（1）设计了一款无刷直流电机结构，采用有限元方法建立其分析模型，研究了转子永磁体产生的气隙磁场特征。

（2）设计出无刷直流电机的速度控制系统，并研究不同占空比下的PWM波形，以及PWM不同占空比下电机的速度变化规律，为驱动高速公路隧道风机电机打下基础。

参考文献

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