汽車用永磁無刷直流電機設(shè)計

引言
    永磁無刷直流電機是近年隨著稀土永磁材料和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電機，隨著汽車電子器件的迅猛發(fā)展，車用電控單元的日新月異，無刷直流電機在汽車電器設(shè)備中的應(yīng)用受到越來越多的重視。由于其具有調(diào)速范圍寬、體積小、起動迅速、運行可靠、效率高、壽命長等優(yōu)點，人們開始將其運用于汽車緩速器的研制方面。
    本文以4 kW無刷直流電機安裝于汽車緩速器中的研發(fā)為依托，介紹利用VB 6．O編程語言實現(xiàn)永磁無刷電機的設(shè)計，并得出實驗數(shù)據(jù)。

1 無刷直流電動機的基本原理
    用圖1所示的無刷直流電動機系統(tǒng)來說明無刷直流電動機的基本工作原理。電動機的定子繞組為三相星形聯(lián)結(jié)，位置傳感器與電動機轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電動機的各相繞組按一定的順序工作。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖2(a)所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使VI1，VI6(見圖1)導通，及A，B兩相繞組通電，電流從電源的正級流出，經(jīng)VI1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)VI6回到電源負極。

    電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢Fa如圖2(a)所示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電動機的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。
    當轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60°電角度，到達圖2(b)所示位置時，同理此時VI1，VI2導通，使電動機的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。
轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60°電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導通邏輯為VI1，VI6→VI1，VI2→VI3，VI2→VI3，VI4→VI5，VI4→VI5，VI6→VI1，VI6。在此周期，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
    在圖2(a)到圖2(b)的60°電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場沿順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而定子合成磁場在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，其步距為60°電角度。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60°電角度，定子繞組就進行一次換流，定子合成磁場的狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。由此可見，電動機有六種狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導通，每相繞組的導通時間為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度的時間。這種工作方式稱為兩相導通星形三相六狀態(tài)。
只要根據(jù)磁極的不同位置，以恰當?shù)捻樞蛉ê妥钄喔飨喑鼍€端所連接的可控晶體管，始終保持轉(zhuǎn)子線圈所產(chǎn)生的磁動勢領(lǐng)先磁極磁動勢一定電角度的位置關(guān)系，便可使該電動機產(chǎn)生一定方向的電磁轉(zhuǎn)矩而穩(wěn)定運行。可以看出，通過借助邏輯電路來改變功率晶體管的導通順序，即可實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)。

2 軟件設(shè)計
2．1 主程序流程圖
    在電機設(shè)計過程中，最主要是解決大量曲線圖表的問題，本例程采用插值法、擬合法等方法處理大量公式、曲線，雖然會產(chǎn)生小小的誤差，但使用起來方便快捷，節(jié)省時間。主程序流程圖如圖3所示。

2．2 編程設(shè)計界面
    采用VB 6．O編程語言實現(xiàn)電機設(shè)計可視化界面，快速準確地得出欲求數(shù)據(jù)，節(jié)省時間，提高工作效率。如圖4所示。

2．3 程序編寫
    在電機設(shè)計中用到的圖表和曲線，除了用計算公式外，有些沒有原始公式的需要采用插值法等進行計算，其實質(zhì)是用插值點x附近兩個點之間的直線段來代替該段曲線，而x所對應(yīng)曲線上的函數(shù)近似用這段直線上相應(yīng)的函數(shù)代替，部分程序代碼如下：
   
   

3 實驗結(jié)果
    本例程是功率為4 kW，額定電壓為208 V，額定頻率為26．5 Hz，極對數(shù)為3的三相無刷直流電動機。根據(jù)計算得出電動機工作特性如表1所示。

4 結(jié)語
    本文運用現(xiàn)代電機設(shè)計方法，設(shè)計出一臺車用緩速器電機樣機，性能指標符合技術(shù)要求，通過實驗數(shù)據(jù)與設(shè)計結(jié)果的對比分析，得出在緩速器上使用無刷直流電機的切實可行性、高效性。實現(xiàn)了汽車緩速器輕量化，小型化的目的，這表明，無刷直流電機在汽車緩速器上的應(yīng)用是未來發(fā)展的趨勢。