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汽车用永磁无刷直流电机技术原理

引言
    永磁无刷直流电机是近年随着稀土永磁材料和电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机,随着汽车电子器件的迅猛发展,车用电控单元的日新月异,无刷直流电机在汽车电器设备中的应用受到越来越多的重视。由于其具有调速范围宽、体积小、起动迅速、运行可靠、效率高、寿命长等优点,人们开始将其运用于汽车缓速器的研制方面。
    本文以4 kW无刷直流电机安装于汽车缓速器中的研发为依托,介绍利用VB 6.O编程语言实现永磁无刷电机的设计,并得出实验数据。
1 无刷直流电动机的基本原理
    用图1所示的无刷直流电动机系统来说明无刷直流电动机的基本工作原理。电动机的定子绕组为三相星形联结,位置传感器与电动机转子同轴,控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号,驱动信号经驱动电路放大后控制逆变器的功率开关管,使电动机的各相绕组按一定的顺序工作。当转子旋转到图2(a)所示的位置时,转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器,使VI1,VI6(见图1)导通,及A,B两相绕组通电,电流从电源的正级流出,经VI1流入A相绕组,再从B相绕组流出,经VI6回到电源负极。

    电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2(a)所示,此时定转子磁场相互作用,使电动机的转子顺时针转动。
 
    当转子在空间转过60°电角度,到达图2(b)所示位置时,同理此时VI1,VI2导通,使电动机的转子继续顺时针转动。

    转子在空间每转过60°电角度,逆变器开关就发生一次切换,功率开关管的导通逻辑为VI1,VI6→VI1,VI2→VI3,VI2→VI3,VI4→VI5,VI4→VI5,VI6→VI1,VI6。在此周期,转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用,沿顺时针方向连续旋转。
    在图2(a)到图2(b)的60°电角度范围内,转子磁场沿顺时针连续旋转,而定子合成磁场在空间不是连续旋转的,而是一种跳跃式旋转磁场,其步距为60°电角度。转子在空间每转过60°电角度,定子绕组就进行一次换流,定子合成磁场的状态就发生一次跃变。由此可见,电动机有六种状态,每一状态有两相导通,每相绕组的导通时间为转子旋转120°电角度的时间。这种工作方式称为两相导通星形三相六状态。
    只要根据磁极的不同位置,以恰当的顺序去导通和阻断各相出线端所连接的可控晶体管,始终保持转子线圈所产生的磁动势领 先磁极磁动势一定电角度的位置关系,便可使该电动机产生一定方向的电磁转矩而稳定运行。可以看出,通过借助逻辑电路来改变功率晶体管的导通顺序,即可实现电动机正反转。
2 软件设计
2.1 主程序流程图
    在电机设计过程中,主要是解决大量曲线图表的问题,本例程采用插值法、拟合法等方法处理大量公式、曲线,虽然会产生小小的误差,但使用起来方便快捷,节省时间。主程序流程图如图3所示。
 

2.2 编程设计界面
    采用VB 6.O编程语言实现电机设计可视化界面,快速准确地得出欲求数据,节省时间,提高工作效率。如图4所示。


2.3 程序编写
    在电机设计中用到的图表和曲线,除了用计算公式外,有些没有原始公式的需要采用插值法等进行计算,其实质是用插值点x附近两个点之间的直线段来代替该段曲线,而x所对应曲线上的函数近似用这段直线上相应的函数代替,部分程序代码如下:

 
3 实验结果
    本例程是功率为4 kW,额定电压为208 V,额定频率为26.5 Hz,极对数为3的三相无刷直流电动机。根据计算得出电动机工作特性如表1所示。


4 结语
    本文运用现代电机设计方法,设计出一台车用缓速器电机样机,性能指标符合技术要求,通过实验数据与设计结果的对比分析,得出在缓速器上使用无刷直流电机的切实可行性、高效性。实现了汽车缓速器轻量化,小型化的目的,这表明,无刷直流电机在汽车缓速器上的应用是未来发展的趋势。

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