一种低成本永磁无刷双凸极电动机

郝鹤，沈建新，付吉臻，韩俊，梅营

    (浙江大学，浙江杭州310027)

    摘要：无刷直流电动机采用电力电子器件替代传统直流电动机的机械换向装置，具有诸多优点。但是，由于其电子电路中价格较高的大功率开关管数量多，大大提高了无刷直流电动机的成本。这个缺点对小功率电机尤其明显，制约了无刷直流电动机的进一步推广。提出一种新型低成本永磁无刷双凸极电机，能实现双向运行，并且其大功率开关管减少到两个，由此町降低电机成本。分析了这种电机的运行原理，并通过有限元仿真软件证明了其良好的运行特性。

    关键词：水磁无刷双凸极电机；低成本；无刷直流电动机

    中图分类号：TM351；TM33  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)12—0008—03

0引  言   

    目前，汽车上使用的小功率电动机大多是永磁有刷直流电动机，它具有效率高、制造容易、成本低等优点，但是由于电刷的存在，换向时产生的电火花、电磁干扰及电刷磨损等问题一直没有得到很好解决。所以国内外很多知名品牌的汽车厂商正试图使用无刷直流电动机替代传统的有刷电动机。无刷直流电动机用电子电路替代电刷和换向器，克服了有刷电动机的一系列问题。但是无刷直流电动机的大功率开关管价格较高、数量较多，大大增加了成本。所以，目前无刷直流电动机在汽车产业中还是难以得到广泛应用。同样情况也发生在其他对电机成本有严格限制的应用领域。

    本文提出了一种新型永磁无刷双凸极电动机(以下简称PMBLDSM)的拓扑结构，与这种特殊拓扑结构相配对，可以将驱动电路中的大功率开关管的数量降到两个，并能实现电机的双向运行，运行性能良好，这样可有效降低成本，在小功率的汽车电机市场及其他类似的低成本应用领域具有较好前景。

1 PMBLDSM的结构和原理

1.1电机本体与驱动器拓扑结构

    图1给出了新型PMBLDSM的结构示意图，采用6-4极结构。

    电机转子有4个凸极，其结构与开关磁阻电动机相同，简单、可靠。定子侧有6个凸极，其中4个极的长度相同，另2个极较短。在短极顶部粘贴有永磁体，如图1中的黑色磁瓦所示，其极性也示于图1中。这些极在圆周上均匀分布，分别为：短极、长极、长极、短极、长极、长极。

    在4个长极上绕有4组集中线圈：A1、A2、B1、B2。Al和A2属于A相绕组，绕制在互差180。的两个长极上，通过过桥线串联起来。这两个线圈通电时产生的磁通也是串联的。B相情况类似。在两个短极上也绕有两个集中线圈：F1、F2。2个线圈串联连接构成F相绕组，其电流产生的磁场与永磁体磁场方向相反，起到弱磁作用。设计时须控制线圈的匝数和****电流，保证永磁体不会发生不可恢复的退磁现象。所有线圈的正电流方向如图1所示。“+”表示电流流入，“-”表示电流流出。

    图2是相应驱动电路的原理图，这里的大功率开关管只有两个，因此其成本较之传统的双极性无刷直流电动机(6个功率管)低得多，也比单极性无刷直流电动机(3个功率管)低。在续流电路中，与续流二极管串联了一只能耗电阻，其作用是将励磁电流迅速削减。在电枢同路中，同相绕组的两个线圈之间串入了一只二极管，防止电枢电流反向流通。这个二极管可以放在绕组端部，也就是可以安装在电机本体之外。

    驱动电路中的二极管数量较多。但是由于这种电机一般是小功率电机，因此二极管的价格很低，不会对总体成本造成太大影响。但是，对于功率较大的电机，二极管的价格会明显增加，那么这种电机的低成本优势也就不复存在了。所以要明确这种电机的应用范围。

1．2电机运行原理

    新型永磁无刷双凸极电机结合了永磁式开关磁阻电动机”、和永磁开关磁链电动机[2-3]的特点，实际采用了混合励磁的方式，通过对图2中PA、PB两只大功率开关管的通断，实现控制A、B、F三相磁场、产生有效电磁转矩的功能。

    选取电机逆时针旋转方向为正方向，并以图l所示转子位置为0。，则大功率开关管的导通时序(高电平导通)与转子位置的关系如图3所示。