霍尔位置偏移对无刷直流电动机性能的影响
周俊杰，窦满峰，董蓉
（西北工业大学）
摘要：针对 无刷直流电机中霍尔位置偏移对电机性能造成的影响进行分析讨论，通过空间磁势法理论研究霍尔位置偏移导致的电流超前导通和滞后导通情形时电机性能的差异，采用有限元分析软件MagNet进行仿真验证。通过分析验证霍尔元件位置偏移对电机转矩脉动、机械特性以及转速的影响。 关键词：无刷直流电动机；电枢反应；弱磁；霍尔元件
中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1004-7018( 2010) 07-0019-03
O引言
在无刷直流电动机中，来自霍尔位置传感器的信号经处理后按照一定的逻辑程序，驱动与电枢绕组相连接的功率开关晶体管在某一瞬间导通或截止，这个过程称之为换相。霍尔元件的位置决定其换相时刻，为了实现无刷直流电动机中****性能，必须同时满足****换楣逻辑和****换相位置。
1问题描述
在死刷直流电动机中，为了获得对称的电势和磁势，霍尔元件一般放置在各相带绕组的中间位置，可以放置在A、Z、B三个相带的中间位置，即为60。间隔放置；也可以放置在A、B、C相带位置，即为120度间隔放置，记为霍尔元件的理想位置。
在实际工程中，由于工装误差导致三个霍尔元件整体相对理想位置偏移或者转子磁钢安装误差导致磁钢空间分布不对称都会引起换相偏移****换相点。本文讨论了霍尔元件位置偏移对电机性能的影响。
2霍尔元件位置偏移对电机性能的影响
2.1无刷直流电动机电枢反应特点
对于“两相导通星型三相六状态”工作方式下的永磁无刷直流电动机，一个磁状态为60。电角度。图l为理想换相过程，图la为一个磁状态的开始，此时绕组A、B通电，定子合成磁势Fa和转子合成磁F，f夹角为120度电角度，在转子旋转的前半个磁状态，磁势。在d轴上表现为去磁作用，后半个磁状态，磁势Fa在d轴上表现为增磁作用。磁势Fq在q轴上表现为交磁作用，当转子顺时针转动时，g轴分量逐渐增加；达到****后又开始减小。图lb为一个磁状态结束时刻，此时电枢开始换相，绕组A、C通电，定子磷场步进60度电角度，以后转子旋转60度电角度过程中的电枢反应情况与前一个60度内基本相同。
定子磁势Fa的直轴分量主要影响电机的每极磁通，从而影响电机的转速和转矩。磁势Fa的交轴分量与Ff相互作用影响电机产生的转矩和转矩脉动。
2.2霍尔元件位置偏移对电枢反应的影响
霍尔元件位置偏移导致电流与反电势的相位角β≠o，β不同电枢反应的影响不同。由于无刷电机可以根据需要改变逻辑状态，因此口的取值可以限制在0 -30度电角度之间。图2为三种霍尔元件在不同位置的电机运行示意图。霍尔元件顺电机旋转方向偏移，电流滞后导通；霍尔元件逆电机旋转方向偏移，电流超前导通。在一个磁状态60度电角度下分析霍尔元件不同位置时的电枢反应。
2.2.1霍尔元件在理想位置
转子旋转0度~ 30度电枢反应起去磁作用，θ变化范围从60~90度；转子旋转30~ 60度，电枢反应起增磁作用，θ变化范围从90~ 60度。
整个磁状态，等效直轴总磁通势变化量：
交轴磁通势一个磁状态平均值为：
电磁转矩一个磁状态的平均值为：
2 2 2霍尔元件顺电机旋转方向偏移β电角度，此时电流超前导通β电角度
转子旋转0~30度~β度，电枢反应起去磁作用，β度变化范围从60度+β~ 90度；转子旋转30度+β~ 60度，电枢反应起增磁作用，θ变化范围从90度—60度-β。
整个磁状态，等效直轴磁通势增加量
交轴磁通势一个磁状态平均值：
电磁转矩一个磁状态的平均值：
在整个状态电枢反应起增磁作用，由于电机设计磁路一般都接近饱和，所以主磁通所受影响有限。由式（7）可知，空载转速变化不是很明显。
但相同负载转矩下，随着β在0-30度电角度内的增加，产生转矩的电流分量不便。增磁的电流分量增加，产生转矩的电流分量不变，增磁的电流分量增加，总电流增加，转速降增大，由（6）可知，此时较霍尔元件在理想位置电磁转矩变小，转矩脉动也变大。
2 2 3霍尔元件逆电机旋转方向偏移β电角度，此时电流超前导通β电角度
转子旋转0~30度+β度，电枢反应起去磁作用，β度变化范围从60度+β- 90度；转子旋转30度+β~ 60度，电枢反应起增磁作用，日变化范围从90度—60度+β。
整个磁状态，等效直轴磁通势减小量：
交轴磁通势一个磁状态平均值：
电磁转矩一个磁状态的平均值为：
β=0时，等效直轴总磁通势不变；O<β<30度时，当电流超前导通角大于零时，直轴磁通势减小，根据无刷直流电动机的外特性公式：
可知电机空载转速上升，机械特性变软；交轴磁通势减小，电机电磁转矩减小。由式(lO)可知，此时较霍尔元件在理想位置电磁转矩变小，转矩脉动也变大。
3有限元仿真
为验证以上理论分析，针对额定电压为270 V、额定转速为3 800 r/min、额定转矩为45 N．m的表贴式径向励磁永磁无刷直流电动机，利用有限元分析软件进行了仿真，通过对功率管导通角的设定来模拟不同的霍尔元件位置分别对电流正常导通、电流超前导通、电流滞后导通进行仿真，研究电机性能的差异。
在模型建立过程中，按照创建几何模型、设定物理属性、网格剖分，然后对控制电路分别按上述三种不同换相时刻进行设置，分别建立模型。对三种模型分别做不同负载转矩的仿真，采用相同的仿真步长和计算误差，设置保证电机达到稳态运行的仿真时间.
图3分别为霍尔元件顺电机旋转方向偏移30度电角度和霍尔元仲逆电机旋转方向偏移30度电角度时与霍尔元件在理想位置时在相同的负载转矩下的电磁转矩曲线对比图。从图3可以看出，两种霍尔元件偏移的情况较霍尔元件在理想位置转矩脉动都有所增加。
由图4可知：
(1)由于电机磁路基本达到饱和，四条机械特性曲线在空载点重合；
(2)随β增大，相同转矩下，产生转矩的电流分量相等，但总电流增大，转速降增大；
(3)由于在同一β危下，负载转矩成线性变化，产生转矩的电流分量线性变化，总电流非线性变化，所以机械特性是一条曲线；
(4)霍尔元件顺电机旋转方向偏移15度电角度，对电机机械特性影响不大，偏移角度大于15度电角度时机械特性严重变形；
(5)霍尔元件顺电机旋转方向偏移15度电角度，对小于额定负载段的机械特性曲线基本不影响，大于额定负载段的机械特性变软。
由图5可知：
(1)由于磁通变化和电流交直轴分量的变化都是非线性的，所以机械特性是一条曲线；
(2)霍尔元件逆电机旋转方向偏移15度电角度，对电机机械特性影响不大，偏移角度大于15度电角度时机械特性严重变形；
(3)霍尔元件逆电机旋转方向偏移15度电角度．小于额定负载段的机械特性曲线变软，对大于额定负载段的机械特性基本没有影响；
(4)在恒转矩负载下，β越大转速越高。
为得到更大的升速空间，可以逼过改变逻辑状态来增大β。但β增加也有范围，当o<β<60度时，β越大升速空间越大；β=60度时，去磁磁势达到****，但电磁转矩为零，电机无法运行；60度<β<90度时，去磁磁势仍随日增大而增大，但出现制动转矩．β= 90度时，平均电磁转矩为零，电机无法正常工作。
在恒转矩负载下，转速上升，必然导致电流增大，输出功率增大，此时电机发热严重、损耗增大、效率下降，电机不宜长时运行于此状态下。
4结论
本文通过理论分析和有限元分析软件验证的方i式对表贴式无刷直流电动机中霍尔元件位置不同时i电机特性做了研究讨论，并得出结论：
(1)霍尔位置相对理想位置偏移电机转矩脉动：增大，偏移角度越大，转矩脉动越大；
(2)对于工装产生的误差导致霍尔元件位置偏移，无论向哪个方向偏移，只要偏差角度不大对机械特性影响不大，如果偏移角度变大，机械特性曲线变形，严重影响电机性能。
(3)对于霍尔元件小角度的偏移，霍尔元件顺电机旋转方向偏移主要影响大于额定负载段的机械特性，霍尔元件逆电机旋转方向偏移主要影响小于额定负载段的机械特性。
(4)霍尔元件逆电机旋转方向偏移，电机机械特性向上移动，霍尔元件顺电机旋转方向偏移．电机机械特性向下移动；
(5)霍尔元件逆电机旋转方向偏移范围在0～60度角度越大调速范围越大，实际工程中可来实现。
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