霍爾位置偏移對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)性能的影響
周俊杰，竇滿峰，董蓉
（西北工業(yè)大學(xué)）
摘要：針對(duì) 無(wú)刷直流電機(jī)中霍爾位置偏移對(duì)電機(jī)性能造成的影響進(jìn)行分析討論，通過(guò)空間磁勢(shì)法理論研究霍爾位置偏移導(dǎo)致的電流超前導(dǎo)通和滯后導(dǎo)通情形時(shí)電機(jī)性能的差異，采用有限元分析軟件MagNet進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過(guò)分析驗(yàn)證霍爾元件位置偏移對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、機(jī)械特性以及轉(zhuǎn)速的影響。 關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；電樞反應(yīng)；弱磁；霍爾元件
中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018( 2010) 07-0019-03
O引言
在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，來(lái)自霍爾位置傳感器的信號(hào)經(jīng)處理后按照一定的邏輯程序，驅(qū)動(dòng)與電樞繞組相連接的功率開(kāi)關(guān)晶體管在某一瞬間導(dǎo)通或截止，這個(gè)過(guò)程稱之為換相�；魻栐奈恢脹Q定其換相時(shí)刻，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中****性能，必須同時(shí)滿足****換楣邏輯和****換相位置。
1問(wèn)題描述
在死刷直流電動(dòng)機(jī)中，為了獲得對(duì)稱的電勢(shì)和磁勢(shì)，霍爾元件一般放置在各相帶繞組的中間位置，可以放置在A、Z、B三個(gè)相帶的中間位置，即為60。間隔放置；也可以放置在A、B、C相帶位置，即為120度間隔放置，記為霍爾元件的理想位置。
在實(shí)際工程中，由于工裝誤差導(dǎo)致三個(gè)霍爾元件整體相對(duì)理想位置偏移或者轉(zhuǎn)子磁鋼安裝誤差導(dǎo)致磁鋼空間分布不對(duì)稱都會(huì)引起換相偏移****換相點(diǎn)。本文討論了霍爾元件位置偏移對(duì)電機(jī)性能的影響。
2霍爾元件位置偏移對(duì)電機(jī)性能的影響
2.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)特點(diǎn)
對(duì)于“兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)”工作方式下的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，一個(gè)磁狀態(tài)為60。電角度。圖l為理想換相過(guò)程，圖la為一個(gè)磁狀態(tài)的開(kāi)始，此時(shí)繞組A、B通電，定子合成磁勢(shì)Fa和轉(zhuǎn)子合成磁F，f夾角為120度電角度，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的前半個(gè)磁狀態(tài)，磁勢(shì)。在d軸上表現(xiàn)為去磁作用，后半個(gè)磁狀態(tài)，磁勢(shì)Fa在d軸上表現(xiàn)為增磁作用。磁勢(shì)Fq在q軸上表現(xiàn)為交磁作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，g軸分量逐漸增加；達(dá)到****后又開(kāi)始減小。圖lb為一個(gè)磁狀態(tài)結(jié)束時(shí)刻，此時(shí)電樞開(kāi)始換相，繞組A、C通電，定子磷場(chǎng)步進(jìn)60度電角度，以后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度電角度過(guò)程中的電樞反應(yīng)情況與前一個(gè)60度內(nèi)基本相同。
定子磁勢(shì)Fa的直軸分量主要影響電機(jī)的每極磁通，從而影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。磁勢(shì)Fa的交軸分量與Ff相互作用影響電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
2.2霍爾元件位置偏移對(duì)電樞反應(yīng)的影響
霍爾元件位置偏移導(dǎo)致電流與反電勢(shì)的相位角β≠o，β不同電樞反應(yīng)的影響不同。由于無(wú)刷電機(jī)可以根據(jù)需要改變邏輯狀態(tài)，因此口的取值可以限制在0 -30度電角度之間。圖2為三種霍爾元件在不同位置的電機(jī)運(yùn)行示意圖�；魻栐橂姍C(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移，電流滯后導(dǎo)通；霍爾元件逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移，電流超前導(dǎo)通。在一個(gè)磁狀態(tài)60度電角度下分析霍爾元件不同位置時(shí)的電樞反應(yīng)。
2.2.1霍爾元件在理想位置
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0度~ 30度電樞反應(yīng)起去磁作用，θ變化范圍從60~90度；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)30~ 60度，電樞反應(yīng)起增磁作用，θ變化范圍從90~ 60度。
整個(gè)磁狀態(tài)，等效直軸總磁通勢(shì)變化量：
交軸磁通勢(shì)一個(gè)磁狀態(tài)平均值為：
電磁轉(zhuǎn)矩一個(gè)磁狀態(tài)的平均值為：
2 2 2霍爾元件順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移β電角度，此時(shí)電流超前導(dǎo)通β電角度
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0~30度~β度，電樞反應(yīng)起去磁作用，β度變化范圍從60度+β~ 90度；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)30度+β~ 60度，電樞反應(yīng)起增磁作用，θ變化范圍從90度—60度-β。
整個(gè)磁狀態(tài)，等效直軸磁通勢(shì)增加量
交軸磁通勢(shì)一個(gè)磁狀態(tài)平均值：
電磁轉(zhuǎn)矩一個(gè)磁狀態(tài)的平均值：
在整個(gè)狀態(tài)電樞反應(yīng)起增磁作用，由于電機(jī)設(shè)計(jì)磁路一般都接近飽和，所以主磁通所受影響有限。由式（7）可知，空載轉(zhuǎn)速變化不是很明顯。
但相同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，隨著β在0-30度電角度內(nèi)的增加，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量不便。增磁的電流分量增加，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量不變，增磁的電流分量增加，總電流增加，轉(zhuǎn)速降增大，由（6）可知，此時(shí)較霍爾元件在理想位置電磁轉(zhuǎn)矩變小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也變大。
2 2 3霍爾元件逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移β電角度，此時(shí)電流超前導(dǎo)通β電角度
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)0~30度+β度，電樞反應(yīng)起去磁作用，β度變化范圍從60度+β- 90度；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)30度+β~ 60度，電樞反應(yīng)起增磁作用，日變化范圍從90度—60度+β。
整個(gè)磁狀態(tài)，等效直軸磁通勢(shì)減小量：
交軸磁通勢(shì)一個(gè)磁狀態(tài)平均值：
電磁轉(zhuǎn)矩一個(gè)磁狀態(tài)的平均值為：
β=0時(shí)，等效直軸總磁通勢(shì)不變；O<β<30度時(shí)，當(dāng)電流超前導(dǎo)通角大于零時(shí)，直軸磁通勢(shì)減小，根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的外特性公式：
可知電機(jī)空載轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性變軟；交軸磁通勢(shì)減小，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小。由式(lO)可知，此時(shí)較霍爾元件在理想位置電磁轉(zhuǎn)矩變小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也變大。
3有限元仿真
為驗(yàn)證以上理論分析，針對(duì)額定電壓為270 V、額定轉(zhuǎn)速為3 800 r/min、額定轉(zhuǎn)矩為45 N．m的表貼式徑向勵(lì)磁永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，利用有限元分析軟件進(jìn)行了仿真，通過(guò)對(duì)功率管導(dǎo)通角的設(shè)定來(lái)模擬不同的霍爾元件位置分別對(duì)電流正常導(dǎo)通、電流超前導(dǎo)通、電流滯后導(dǎo)通進(jìn)行仿真，研究電機(jī)性能的差異。
在模型建立過(guò)程中，按照創(chuàng)建幾何模型、設(shè)定物理屬性、網(wǎng)格剖分，然后對(duì)控制電路分別按上述三種不同換相時(shí)刻進(jìn)行設(shè)置，分別建立模型。對(duì)三種模型分別做不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩的仿真，采用相同的仿真步長(zhǎng)和計(jì)算誤差，設(shè)置保證電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的仿真時(shí)間.
圖3分別為霍爾元件順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移30度電角度和霍爾元仲逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移30度電角度時(shí)與霍爾元件在理想位置時(shí)在相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的電磁轉(zhuǎn)矩曲線對(duì)比圖。從圖3可以看出，兩種霍爾元件偏移的情況較霍爾元件在理想位置轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都有所增加。
由圖4可知：
(1)由于電機(jī)磁路基本達(dá)到飽和，四條機(jī)械特性曲線在空載點(diǎn)重合；
(2)隨β增大，相同轉(zhuǎn)矩下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量相等，但總電流增大，轉(zhuǎn)速降增大；
(3)由于在同一β危下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩成線性變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量線性變化，總電流非線性變化，所以機(jī)械特性是一條曲線；
(4)霍爾元件順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移15度電角度，對(duì)電機(jī)機(jī)械特性影響不大，偏移角度大于15度電角度時(shí)機(jī)械特性嚴(yán)重變形；
(5)霍爾元件順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移15度電角度，對(duì)小于額定負(fù)載段的機(jī)械特性曲線基本不影響，大于額定負(fù)載段的機(jī)械特性變軟。
由圖5可知：
(1)由于磁通變化和電流交直軸分量的變化都是非線性的，所以機(jī)械特性是一條曲線；
(2)霍爾元件逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移15度電角度，對(duì)電機(jī)機(jī)械特性影響不大，偏移角度大于15度電角度時(shí)機(jī)械特性嚴(yán)重變形；
(3)霍爾元件逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移15度電角度．小于額定負(fù)載段的機(jī)械特性曲線變軟，對(duì)大于額定負(fù)載段的機(jī)械特性基本沒(méi)有影響；
(4)在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，β越大轉(zhuǎn)速越高。
為得到更大的升速空間，可以逼過(guò)改變邏輯狀態(tài)來(lái)增大β。但β增加也有范圍，當(dāng)o<β<60度時(shí)，β越大升速空間越大；β=60度時(shí)，去磁磁勢(shì)達(dá)到****，但電磁轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)無(wú)法運(yùn)行；60度<β<90度時(shí)，去磁磁勢(shì)仍隨日增大而增大，但出現(xiàn)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩．β= 90度時(shí)，平均電磁轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)無(wú)法正常工作。
在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，轉(zhuǎn)速上升，必然導(dǎo)致電流增大，輸出功率增大，此時(shí)電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重、損耗增大、效率下降，電機(jī)不宜長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行于此狀態(tài)下。
4結(jié)論
本文通過(guò)理論分析和有限元分析軟件驗(yàn)證的方i式對(duì)表貼式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中霍爾元件位置不同時(shí)i電機(jī)特性做了研究討論，并得出結(jié)論：
(1)霍爾位置相對(duì)理想位置偏移電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：增大，偏移角度越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大；
(2)對(duì)于工裝產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致霍爾元件位置偏移，無(wú)論向哪個(gè)方向偏移，只要偏差角度不大對(duì)機(jī)械特性影響不大，如果偏移角度變大，機(jī)械特性曲線變形，嚴(yán)重影響電機(jī)性能。
(3)對(duì)于霍爾元件小角度的偏移，霍爾元件順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移主要影響大于額定負(fù)載段的機(jī)械特性，霍爾元件逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移主要影響小于額定負(fù)載段的機(jī)械特性。
(4)霍爾元件逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移，電機(jī)機(jī)械特性向上移動(dòng)，霍爾元件順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移．電機(jī)機(jī)械特性向下移動(dòng)；
(5)霍爾元件逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏移范圍在0～60度角度越大調(diào)速范圍越大，實(shí)際工程中可來(lái)實(shí)現(xiàn)。
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