單相自起動永磁無刷直流電動機的分析與設計

陳治宇，黃開勝，田燕飛，陳風凱，陳 琳

(廣東工業(yè)大學，廣州510006)

0 引 言

單相電容運行異步電動機由于結(jié)構簡單、價格低廉等優(yōu)點已廣泛應用于空調(diào)室外機的散熱風機中，由于散熱風機一般安裝在機罩殼中，空間通風能力有限，故較低效率的異步電動機將會影響氣流組織和流動，導致散熱效果不理想，使得空調(diào)耗電大、出力小，大大降低空調(diào)的能效比，對建筑節(jié)能節(jié)電指標產(chǎn)生不利的影響［1－2］。

而作為高效可靠的永磁無刷直流電動機，由于需要控制電路，大大增加了電機系統(tǒng)的成本，故不利于永磁電機在散熱風機中的推廣;此外，由于無刷直流電動機具有控制電路板，而抽油煙機內(nèi)殘留的油漬又是無孔不入，故阻礙了無刷直流電動機在抽油煙機中的應用。為實現(xiàn)價值工程的需要，本文提出了一種無控制電路的新型單相式自起動4槽6極永磁無刷直流電動機，該電動機集中了單相電容運行異步電動機和永磁無刷直流電動機的特點。

本文首先利用ANSYS/Maxwell有限元仿真軟件建立了這款電機的三維有限元仿真模型，分析其運行原理，對電機外電路采用單相電容運行異步電動機的電容分相法，無需控制電路，有效實現(xiàn)電機的自起動，最后對齒槽轉(zhuǎn)矩、反電勢、氣隙磁密、輸出轉(zhuǎn)矩等進行仿真對比分析。研究結(jié)果表明:此電機發(fā)生一相故障后仍能正常工作，運行更可靠;無需控制電路，只需副繞組串聯(lián)一個電容，即可實現(xiàn)電機的自起動，大大降低了電機系統(tǒng)的成本。

1 電機結(jié)構設計

1.1 電機主要參數(shù)

根據(jù)公司現(xiàn)有機殼的尺寸以及實際的需要，設計的單相自起動永磁無刷直流電動機，主要參數(shù)如表1所示。

表1 單相自起動永磁無刷直流電動機主要參數(shù)

1.2 電機結(jié)構

本文提出的新型單相式自起動永磁無刷直流電動機的結(jié)構如圖1所示。其中電機的定子槽數(shù)為4，轉(zhuǎn)子極數(shù)為6，A為主繞組或者工作繞組，B為副繞組或者起動繞組［3－5］。

圖1 4槽6極永磁無刷直流電動機結(jié)構圖

單相自起動永磁無刷直流電動機的每個定子齒上繞有不跨接的集中繞組，4個線圈分為主、副兩相，徑向相對的兩個線圈屬于同一相，其中A－X線圈為主繞組，B－Y線圈為副繞組，并結(jié)合單相電容運行異步電動機的電容分相法，在副繞組中串聯(lián)一個合適的電容，再與主繞組并接于電源，在主、副繞組中通入不同相位的兩相電流時，形成在空間相隔90°電角度的兩相電流，使內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，實現(xiàn)電機的自起動。本文定子上的主、副兩相繞組完全對稱，當兩相繞組接到對稱電源上時，將產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的圓形或者近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場。

2 起動電容設計

串聯(lián)在副繞組的電容，如果選配不當，會使電機系統(tǒng)變差或者無法起動，片面地增大或者減小電容量，負序磁場可能加強，使輸出功率減小，性能變壞，磁場也可能會由圓形或近似圓形變?yōu)闄E圓形，故需對電容的大小進行合理的設計，使兩相繞組的空間間隔接近90°電角度。圖2為單相永磁無刷直流電動機的外電路。

圖2 單相永磁無刷直流電動機的外電路圖

串聯(lián)電容的大小決定了主、副繞組中電流在相位上的電角度差，利用ANSYS有限元仿真軟件，分析出副繞組串聯(lián)不同大小的電容時主、副繞組中兩相電流的電角度差值，如圖3所示，即可推出當兩相電流電角度接近90°時，串聯(lián)電容的大小。

圖3 不同電容量時主、副繞組電流波形圖

由圖3可知，副相電流幅值隨電容的變化而變化，副繞組串聯(lián)的電容越小，則副相電流幅值越小，為使空間產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場為圓形或近似圓形，故應選取使主、副相電流幅值近似相等的電容。

氣隙磁場為旋轉(zhuǎn)磁場，每轉(zhuǎn)過一對磁極，線圈中的電動勢變化一個周期，電動勢的頻率:

電角頻率:

根據(jù)以上公式可知，電機的電角頻率為18(°)/ms，故由圖3中主、副繞組電流過零點時，兩相電流的時間相位差即可求出電角度。圖4表示不同電容下的兩相電流時間相位差值。

圖4 不同電容量時主、副相電流時間相位差值圖

結(jié)合以上分析得，當副繞組串聯(lián)的電容為35 μF時，主、副相電流幅值近似相等，時間相位差為4.8 ms，電角度接近90°，即為最佳的串聯(lián)電容量。

3 齒槽轉(zhuǎn)矩的分析

對于單相自起動的無刷直流電動機，齒槽轉(zhuǎn)矩可直接傳給負載，引起波動，產(chǎn)生振動和噪聲，還會因齒槽轉(zhuǎn)矩過大，影響電機的起動和正常運行［6－7］。利用ANSYS有限元仿真計算后得到的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖5所示。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

磁場能量取決于電機的結(jié)構尺寸、永磁體的性能以及定轉(zhuǎn)子的相對位置，故氣隙磁密沿電樞表面的分布可近似表示:

由式(3)可知，轉(zhuǎn)子上開槽相當于等效的增大氣隙長度，減小氣隙磁密的幅值，從而可削弱齒槽轉(zhuǎn)矩;此外，也增大了直軸磁路磁阻，減小了外磁路總磁導，導致反電動勢的減小，削弱諧波反電動引起的紋波轉(zhuǎn)矩［8－9］。電機轉(zhuǎn)子開槽模型如圖6所示。

圖6 電機轉(zhuǎn)子開槽、開孔三維結(jié)構圖

利用ANSYS有限元仿真軟件對轉(zhuǎn)子上開槽與不開槽兩種情形的齒槽轉(zhuǎn)矩進行對比仿真分析，對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 電機轉(zhuǎn)子開槽與不開槽齒槽轉(zhuǎn)矩對比圖

由圖7對比可知，轉(zhuǎn)子開槽時的齒槽轉(zhuǎn)矩小于不開槽時齒槽轉(zhuǎn)矩，有利于抑制電機的振動和噪聲。

4 電機有限元仿真分析

4.1 反電勢

利用ANSYS有限元軟件分析得出反電勢波形如圖8所示。

圖8 電機反電勢波形圖

4.2 氣隙磁密

在ANSYS/Maxwell中計算得到電機轉(zhuǎn)子開槽和不開槽時，氣隙磁密波形對比如圖9所示。

圖9 電機轉(zhuǎn)子開槽與不開槽氣隙磁密對比圖

4.3 輸出轉(zhuǎn)矩

施加220 V電壓時，考慮電機起動過程的輸出轉(zhuǎn)矩如圖10所示。從圖10可以看出，轉(zhuǎn)子開槽后的轉(zhuǎn)矩脈動小于不開槽時的轉(zhuǎn)矩脈動。

由上述對比分析可知，轉(zhuǎn)子開槽時的轉(zhuǎn)矩脈動也小于不開槽時的轉(zhuǎn)矩脈動，所以采用轉(zhuǎn)子開槽可優(yōu)化單相無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩脈動，有利于抑制電機的振動和噪聲。

圖10 電機轉(zhuǎn)子開槽與不開槽輸出轉(zhuǎn)矩對比圖

5 樣機試驗

給電動機施加220 V電壓，調(diào)速到1 000 r/min時，用測功機對樣機進行測試。ANSYS/Maxwell仿真值和樣機測試值比較如表2所示。

表2 計算值和測試值

從樣機測試結(jié)果看，新型的單相自起動永磁無刷直流電動機運行平穩(wěn)，效率相比單相異步電動機有了明顯提高。

當電機在額定轉(zhuǎn)速運行時，發(fā)生一相開路故障，對樣機進行測試，測試值如表3所示。

表3 無故障與一相開路故障的電機測試值

從樣機測試結(jié)果來看，當發(fā)生一相開路故障時，電機的轉(zhuǎn)速下降，輸出轉(zhuǎn)矩降低，但由于電機所帶負載為小型風葉扇，電機仍能正常工作。

6 結(jié) 語

本文提出一種新型的單相自起動永磁無刷直流電動機，利用ANSYS有限元仿真軟件建立了這款電機的三維有限元仿真模型，分析了電機的結(jié)構特點和運行原理，并對起動電容的選取進行了分析與研究。由于單相無刷直流電動機輸出轉(zhuǎn)矩脈動比較大，故本文通過轉(zhuǎn)子開槽來削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動的優(yōu)化。研究表明，本新型電機具有以下特點:

(1)無需控制電路，通過起動電容實現(xiàn)無刷直流電動機的自起動，有效節(jié)約了成本;

(2)繼承了無刷直流電動機效率高、可靠性好、結(jié)構簡單的優(yōu)點，并采用轉(zhuǎn)子開槽，改善了單相無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動大的缺點;

(3)電機發(fā)生一相故障后仍能正常工作，運行更可靠，有利于在家用電器設備中的應用。

本文分析與設計的新型單相自起動無刷直流電動機為工程應用提供一定的參考價值。

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