摘要：該文介紹了風輪風量的調(diào)節(jié)方式和單相無刷直流電動機的調(diào)速方式，分析了風輪與單相無刷直流電動機的匹配。對某汽車風機用單相無刷直流電動機的靜態(tài)磁場和齒槽轉(zhuǎn)矩進行了有限元仿真，對電機空載轉(zhuǎn)速一電壓關(guān)系曲線進行了仿真和測試，測試了風機系統(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機的起動死點，采用電動機調(diào)壓調(diào)速實現(xiàn)風蹙的調(diào)節(jié)有利于節(jié)能，該電動機與風輪匹配較好，使風機工作速度范圍內(nèi)保持r較高的系統(tǒng)效率．關(guān)鍵詞：風機；單相；無刷直流電動機
0 引 言
無刷直流電動機具有良好的調(diào)速性能、壽命長、無換向火花和噪聲低等優(yōu)點，但多相無刷直流電動機驅(qū)動功率器件較多，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機驅(qū)動功率器件較少，控制電路簡單，控制器成本低、可靠性高，在風機、泵、洗衣機、空調(diào)以及汽車附件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
本文在介紹風輪風壓一風量曲線的基礎(chǔ)上，分析了風輪與單相無刷直流電動機的匹配，列某汽車風機用單相無刷直流電動機的靜態(tài)磁場和齒槽轉(zhuǎn)矩進行了有限元仿真，對電機空載轉(zhuǎn)速一電壓關(guān)系曲線進行了仿真和測試，測試了風機系統(tǒng)的效率。
1風輪與單相無刷直流電動機的匹配
1．1風輪的風量調(diào)節(jié)
由流體力學(xué)可知，風輪的風量()與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，風壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，風輪的軸功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，如式(1)所示圖l為風輪的風壓與風量之間的關(guān)系曲線，曲線1、2為風機在轉(zhuǎn)速n1、n2下的風壓一風量特性，曲線3、4為管網(wǎng)風阻特性曲線(曲線3對應(yīng)風門開度為全開)。由圖1可知調(diào)節(jié)風量有兩種方式：
(1)在電機轉(zhuǎn)速不變下調(diào)節(jié)風門開度，如電機轉(zhuǎn)速為n1，風量從Q1下降到Q2，則調(diào)節(jié)風門開度，工作點從A移到B，在曲線1上移動。在此過程中，風輪的軸功率下降不大，風壓明顯上升。(2)保持風門開度不變，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。如風門全開，風量從Q1下降到Q2，工作點沿曲線3從A移到c，此時風壓H明顯下降，風輪的軸功率P下降顯著。
對比兩種風量調(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)風量。
1．2單相無刷直流電動機的調(diào)速
單相無刷直流電動機的電路示意圖如圖2所示。
由圖2可知，電機穩(wěn)態(tài)運行時，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，實現(xiàn)電機的調(diào)速。與i相無刷直流電動機一樣，通過調(diào)節(jié)功率管的PwM占空比，可以實現(xiàn)加在電樞繞組上的電源電壓大小，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。
1.3風輪與單相無刷直流電動機的匹配
采用調(diào)速的方式實現(xiàn)風輪風量的調(diào)節(jié)，風量大時，電機轉(zhuǎn)速高，輸出功率大，隨著風量降低，電機轉(zhuǎn)速低，輸出功率也小。為滿足風輪驅(qū)動的需求，應(yīng)按風輪風量****時的工作點來確定單相無刷直流電動機的額定功率和轉(zhuǎn)速，若風輪風量調(diào)節(jié)范圍小，則應(yīng)使該電動機額定工作時效率****。若風輪風量調(diào)節(jié)范圍寬，則應(yīng)使該電動機的效率在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)保持較高的效率。
單相無刷直流電動機由永磁體勵磁，其齒槽轉(zhuǎn)矩將帶來風輪的轉(zhuǎn)速脈動，導(dǎo)致風輪風量的變化，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
某汽車風機用單相無刷直流電動機的主要參數(shù)如表1所示，該電機采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過電樞表面圓周直徑的漸近線變化實現(xiàn)不均勻氣隙，解決電棚的韶動死問題、應(yīng)用電磁場仿真分析軟件MagNet仿真得到樣機的靜態(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2.13 T，但考慮到機殼也能部分導(dǎo)磁，該值可以接受。
圖4為樣機的定位力矩，橫坐標為沿氣隙圓周位置deg用機械角度表示，縱坐標為定位轉(zhuǎn)矩T。
在定轉(zhuǎn)子平衡位置點0、60、120、180、240、300。時的定位力矩不為零，這樣在定子繞組通電后，有切向力的轉(zhuǎn)矩作用，電機可以直接起動。在永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過平衡位置約9。時，定位力矩才為零，該相對于平衡位置點的角度就是電機的起動角。
3 空載和負載特性的仿真與試驗
3．1空載特性
電機的空載轉(zhuǎn)速 電壓曲線的電磁仿真計算和實驗測試結(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負載特性
電機直接帶動風輪，保持風門全開，調(diào)節(jié)電源電壓為12 V、16 V、20 V、24 V和28 V，實驗測得的風輪負載特性如圖6所示。從中可知額定電壓24V，轉(zhuǎn)速為4464 r／min，風輪機械功率為33.5 w，考慮到風輪的效率，電機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，則電機沒計實現(xiàn)了在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率****。
4結(jié)論
通過某汽車風機用單相無刷直流電動機的電磁分析和試驗可知：
(1)電樞表面圓周直徑的漸近線變化實現(xiàn)的不均勻氣隙，解決了電機的起動死點問題；(2)該電動機與風輪匹配較好，使風機工作速度范圍內(nèi)保持了較高的系統(tǒng)效率；(3)采用電動機調(diào)壓調(diào)速實現(xiàn)風機風量的調(diào)節(jié)有利于節(jié)能。
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