摘要：该文介绍了风轮风量的调节方式和单相无刷直流电动机的调速方式，分析了风轮与单相无刷直流电动机的匹配。对某汽车风机用单相无刷直流电动机的静态磁场和齿槽转矩进行了有限元仿真，对电机空载转速一电压关系曲线进行了仿真和测试，测试了风机系统的效率分析和测试表明小均匀气隙有效克服了单相无刷直流电动机的起动死点，采用电动机调压调速实现风蹙的调节有利于节能，该电动机与风轮匹配较好，使风机工作速度范围内保持r较高的系统效率．关键词：风机；单相；无刷直流电动机
0 引 言
无刷直流电动机具有良好的调速性能、寿命长、无换向火花和噪声低等优点，但多相无刷直流电动机驱动功率器件较多，控制电路复杂，控制器成本比较高。单相永磁无刷直流电动机驱动功率器件较少，控制电路简单，控制器成本低、可靠性高，在风机、泵、洗衣机、空调以及汽车附件等领域得到广泛应用。
本文在介绍风轮风压一风量曲线的基础上，分析了风轮与单相无刷直流电动机的匹配，列某汽车风机用单相无刷直流电动机的静态磁场和齿槽转矩进行了有限元仿真，对电机空载转速一电压关系曲线进行了仿真和测试，测试了风机系统的效率。
1风轮与单相无刷直流电动机的匹配
1．1风轮的风量调节
由流体力学可知，风轮的风量()与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，风轮的轴功率P与转速n的三次方成正比，如式(1)所示图l为风轮的风压与风量之间的关系曲线，曲线1、2为风机在转速n1、n2下的风压一风量特性，曲线3、4为管网风阻特性曲线(曲线3对应风门开度为全开)。由图1可知调节风量有两种方式：
(1)在电机转速不变下调节风门开度，如电机转速为n1，风量从Q1下降到Q2，则调节风门开度，工作点从A移到B，在曲线1上移动。在此过程中，风轮的轴功率下降不大，风压明显上升。(2)保持风门开度不变，调节电机转速。如风门全开，风量从Q1下降到Q2，工作点沿曲线3从A移到c，此时风压H明显下降，风轮的轴功率P下降显著。
对比两种风量调节方式可知，从节能方面考虑，应选用调速的方式来调节风量。
1．2单相无刷直流电动机的调速
单相无刷直流电动机的电路示意图如图2所示。
由图2可知，电机稳态运行时，电压回路方程如式(2)所示式中，u为电源电压(V)，△ut为功率管压降(V)，e为电枢绕组感应电势(V)，R为电枢绕组电阻(Ω)，；为电枢绕组电流(A)。由式(2)可知，忽略功率管压降和电枢绕组电阻上的压降，电枢绕组感应电势与电源电压相等，因此涮节电源电压大小可以调节电枢绕组的感应电势，实现电机的调速。与i相无刷直流电动机一样，通过调节功率管的PwM占空比，可以实现加在电枢绕组上的电源电压大小，实现转速的平滑调节。
1.3风轮与单相无刷直流电动机的匹配
采用调速的方式实现风轮风量的调节，风量大时，电机转速高，输出功率大，随着风量降低，电机转速低，输出功率也小。为满足风轮驱动的需求，应按风轮风量****时的工作点来确定单相无刷直流电动机的额定功率和转速，若风轮风量调节范围小，则应使该电动机额定工作时效率****。若风轮风量调节范围宽，则应使该电动机的效率在转速调节范围内保持较高的效率。
单相无刷直流电动机由永磁体励磁，其齿槽转矩将带来风轮的转速脉动，导致风轮风量的变化，因此应尽量减小其齿槽转矩。
2磁场与定位力矩仿真分析
某汽车风机用单相无刷直流电动机的主要参数如表1所示，该电机采用外转子结构，通过电枢表面圆周直径的渐近线变化实现不均匀气隙，解决电棚的韶动死问题、应用电磁场仿真分析软件MagNet仿真得到样机的静态磁场如图3所示。
图3(a)为磁力线分布图，图3(b)为磁场强度分布云图，电枢齿与电枢轭的磁密大小在O.8 T至l.2 T范围内，转子轭局部****磁密高达2.13 T，但考虑到机壳也能部分导磁，该值可以接受。
图4为样机的定位力矩，横坐标为沿气隙圆周位置deg用机械角度表示，纵坐标为定位转矩T。
在定转子平衡位置点0、60、120、180、240、300。时的定位力矩不为零，这样在定子绕组通电后，有切向力的转矩作用，电机可以直接起动。在永磁转子旋转过平衡位置约9。时，定位力矩才为零，该相对于平衡位置点的角度就是电机的起动角。
3 空载和负载特性的仿真与试验
3．1空载特性
电机的空载转速 电压曲线的电磁仿真计算和实验测试结果，仿真与测试结果在电压为14—24 V的范围内吻合较好，超过该范围误差较大，但均符合空载转速随电压线性变化的关系。
3．2负载特性
电机直接带动风轮，保持风门全开，调节电源电压为12 V、16 V、20 V、24 V和28 V，实验测得的风轮负载特性如图6所示。从中可知额定电压24V，转速为4464 r／min，风轮机械功率为33.5 w，考虑到风轮的效率，电机输出功率大于额定功率40 W。
调压调速过程中测得的系统效率看出：在工作转速300O r／mjn～4500r／min的范围内，系统效率η基本处于45％左右，达到了****值；在工作转速范围外，系统效率都有减小。因此，若其它装置效率基本保持恒定，则电机没计实现了在工作转速范围内效率****。
4结论
通过某汽车风机用单相无刷直流电动机的电磁分析和试验可知：
(1)电枢表面圆周直径的渐近线变化实现的不均匀气隙，解决了电机的起动死点问题；(2)该电动机与风轮匹配较好，使风机工作速度范围内保持了较高的系统效率；(3)采用电动机调压调速实现风机风量的调节有利于节能。
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