摘要：該文介紹了風(fēng)輪風(fēng)量的調(diào)節(jié)方式和單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式，分析了風(fēng)輪與單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的匹配。對(duì)某汽車風(fēng)機(jī)用單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)磁場和齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了有限元仿真，對(duì)電機(jī)空載轉(zhuǎn)速一電壓關(guān)系曲線進(jìn)行了仿真和測試，測試了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的效率分析和測試表明小均勻氣隙有效克服了單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)死點(diǎn)，采用電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)蹙的調(diào)節(jié)有利于節(jié)能，該電動(dòng)機(jī)與風(fēng)輪匹配較好，使風(fēng)機(jī)工作速度范圍內(nèi)保持r較高的系統(tǒng)效率．關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；單相；無刷直流電動(dòng)機(jī)
0 引 言
無刷直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能、壽命長、無換向火花和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但多相無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率器件較多，控制電路復(fù)雜，控制器成本比較高。單相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率器件較少，控制電路簡單，控制器成本低、可靠性高，在風(fēng)機(jī)、泵、洗衣機(jī)、空調(diào)以及汽車附件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
本文在介紹風(fēng)輪風(fēng)壓一風(fēng)量曲線的基礎(chǔ)上，分析了風(fēng)輪與單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的匹配，列某汽車風(fēng)機(jī)用單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)磁場和齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了有限元仿真，對(duì)電機(jī)空載轉(zhuǎn)速一電壓關(guān)系曲線進(jìn)行了仿真和測試，測試了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的效率。
1風(fēng)輪與單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的匹配
1．1風(fēng)輪的風(fēng)量調(diào)節(jié)
由流體力學(xué)可知，風(fēng)輪的風(fēng)量()與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，風(fēng)輪的軸功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，如式(1)所示圖l為風(fēng)輪的風(fēng)壓與風(fēng)量之間的關(guān)系曲線，曲線1、2為風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速n1、n2下的風(fēng)壓一風(fēng)量特性，曲線3、4為管網(wǎng)風(fēng)阻特性曲線(曲線3對(duì)應(yīng)風(fēng)門開度為全開)。由圖1可知調(diào)節(jié)風(fēng)量有兩種方式：
(1)在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變下調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，如電機(jī)轉(zhuǎn)速為n1，風(fēng)量從Q1下降到Q2，則調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，工作點(diǎn)從A移到B，在曲線1上移動(dòng)。在此過程中，風(fēng)輪的軸功率下降不大，風(fēng)壓明顯上升。(2)保持風(fēng)門開度不變，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。如風(fēng)門全開，風(fēng)量從Q1下降到Q2，工作點(diǎn)沿曲線3從A移到c，此時(shí)風(fēng)壓H明顯下降，風(fēng)輪的軸功率P下降顯著。
對(duì)比兩種風(fēng)量調(diào)節(jié)方式可知，從節(jié)能方面考慮，應(yīng)選用調(diào)速的方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量。
1．2單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速
單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的電路示意圖如圖2所示。
由圖2可知，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓回路方程如式(2)所示式中，u為電源電壓(V)，△ut為功率管壓降(V)，e為電樞繞組感應(yīng)電勢(V)，R為電樞繞組電阻(Ω)，；為電樞繞組電流(A)。由式(2)可知，忽略功率管壓降和電樞繞組電阻上的壓降，電樞繞組感應(yīng)電勢與電源電壓相等，因此涮節(jié)電源電壓大小可以調(diào)節(jié)電樞繞組的感應(yīng)電勢，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。與i相無刷直流電動(dòng)機(jī)一樣，通過調(diào)節(jié)功率管的PwM占空比，可以實(shí)現(xiàn)加在電樞繞組上的電源電壓大小，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。
1.3風(fēng)輪與單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的匹配
采用調(diào)速的方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪風(fēng)量的調(diào)節(jié)，風(fēng)量大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速高，輸出功率大，隨著風(fēng)量降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速低，輸出功率也小。為滿足風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的需求，應(yīng)按風(fēng)輪風(fēng)量****時(shí)的工作點(diǎn)來確定單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的額定功率和轉(zhuǎn)速，若風(fēng)輪風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍小，則應(yīng)使該電動(dòng)機(jī)額定工作時(shí)效率****。若風(fēng)輪風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍寬，則應(yīng)使該電動(dòng)機(jī)的效率在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)保持較高的效率。
單相無刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體勵(lì)磁，其齒槽轉(zhuǎn)矩將帶來風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)輪風(fēng)量的變化，因此應(yīng)盡量減小其齒槽轉(zhuǎn)矩。
2磁場與定位力矩仿真分析
某汽車風(fēng)機(jī)用單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示，該電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過電樞表面圓周直徑的漸近線變化實(shí)現(xiàn)不均勻氣隙，解決電棚的韶動(dòng)死問題、應(yīng)用電磁場仿真分析軟件MagNet仿真得到樣機(jī)的靜態(tài)磁場如圖3所示。
圖3(a)為磁力線分布圖，圖3(b)為磁場強(qiáng)度分布云圖，電樞齒與電樞軛的磁密大小在O.8 T至l.2 T范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子軛局部****磁密高達(dá)2.13 T，但考慮到機(jī)殼也能部分導(dǎo)磁，該值可以接受。
圖4為樣機(jī)的定位力矩，橫坐標(biāo)為沿氣隙圓周位置deg用機(jī)械角度表示，縱坐標(biāo)為定位轉(zhuǎn)矩T。
在定轉(zhuǎn)子平衡位置點(diǎn)0、60、120、180、240、300。時(shí)的定位力矩不為零，這樣在定子繞組通電后，有切向力的轉(zhuǎn)矩作用，電機(jī)可以直接起動(dòng)。在永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過平衡位置約9。時(shí)，定位力矩才為零，該相對(duì)于平衡位置點(diǎn)的角度就是電機(jī)的起動(dòng)角。
3 空載和負(fù)載特性的仿真與試驗(yàn)
3．1空載特性
電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速 電壓曲線的電磁仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，仿真與測試結(jié)果在電壓為14—24 V的范圍內(nèi)吻合較好，超過該范圍誤差較大，但均符合空載轉(zhuǎn)速隨電壓線性變化的關(guān)系。
3．2負(fù)載特性
電機(jī)直接帶動(dòng)風(fēng)輪，保持風(fēng)門全開，調(diào)節(jié)電源電壓為12 V、16 V、20 V、24 V和28 V，實(shí)驗(yàn)測得的風(fēng)輪負(fù)載特性如圖6所示。從中可知額定電壓24V，轉(zhuǎn)速為4464 r／min，風(fēng)輪機(jī)械功率為33.5 w，考慮到風(fēng)輪的效率，電機(jī)輸出功率大于額定功率40 W。
調(diào)壓調(diào)速過程中測得的系統(tǒng)效率看出：在工作轉(zhuǎn)速300O r／mjn～4500r／min的范圍內(nèi)，系統(tǒng)效率η基本處于45％左右，達(dá)到了****值；在工作轉(zhuǎn)速范圍外，系統(tǒng)效率都有減小。因此，若其它裝置效率基本保持恒定，則電機(jī)沒計(jì)實(shí)現(xiàn)了在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率****。
4結(jié)論
通過某汽車風(fēng)機(jī)用單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁分析和試驗(yàn)可知：
(1)電樞表面圓周直徑的漸近線變化實(shí)現(xiàn)的不均勻氣隙，解決了電機(jī)的起動(dòng)死點(diǎn)問題；(2)該電動(dòng)機(jī)與風(fēng)輪匹配較好，使風(fēng)機(jī)工作速度范圍內(nèi)保持了較高的系統(tǒng)效率；(3)采用電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)有利于節(jié)能。
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