摘要：在简要介绍了九换向单元新直流电动机(New DcM)工作原理的基础上，建立了九换向单元New DcM的数学模型和基于simlink的仿真模型，对电机的机械特性和换向单元电流进行了仿真分析，实验结果验证了仿真模型的正确性。通过对换向单元电流波形的分析，指出了电子换向器的结构对New DcM换向过程的影响，为深入研究New DcM提供了基础。
    关键词：换向单元；电子换向；新直流电动机；simu1ink

    0  引  言

    传统直流电动机存在机械换向器以及与电刷的滑动电接触，使得结构复杂，维护麻烦，使用环境受限，在向高转速、高电压和大容量方向发展时电受到限制，成为它固有的弱点。现代无刷直流电动机(BI．DcM)没有滑动电接触，具有调速方便和转矩控制性能良好等类似直流电动机的特性，但它本质上是具有自同步功能的交流永磁同步电动机，与真正的直流电动机相比较仍有二项弱点：一是绕组电感限制电动机的极限功率输出，二是电枢交流电流使电流实时检测和控制复杂化。文献[1]首次提出了新直流电动机(New DcM)的思想，文献[2]详细介绍了九换向单元New DcM的结构和工作原理，指出九换向单元New DcM比起现代BLDcM有较多的换向单元，具有比较完善的直流电枢绕组结构，丁：作起来更像传统的直流电动机．传统直流电动机的换向过程在独立的换向回路内完成，对主电路几乎不影响，忽略换向回路中的过程，电动机的模型非常简单。New DcM具有与传统直流电机完全相同的绕组电路和主电路，但是目前构造的电子换向器及电子换向过程不及传统直流电动机中的完善，换向过程对主电路的影响较大，较精确的性能分析以及对电子换向器进一步研究，都要求建立NewDcM的仿真模型。
    本文首先简要介绍了九换向单元New DcM的基本原理，在此基础上建立了九换向单元New DcM的数学模型和基于simulink的仿真模型，对电机的机械特性和换向单元电流进行了仿真计算，实验结果验证了模型的正确性，同时分析了驱动电路(电子换向器)的结构对New DCM运行的影响。
    1  NEw DcM的实例本文研究的新直流电动机(New DcM)，永磁转子极对数p=2，定子槽数z=18，每对极下对应9个槽，槽距角为40。电角度，在一对极范围内有9个绕组元件，将二对极下处于相同磁场位置的9个绕组元件采取并联的接法，合成总共只有9个换向单元，依次用l、3、5、7、9、2、4、6和8标示，如图1所示。它相当于传统直流电动机电枢的迭绕组，9个换向单元的电动势(EMF)依次相差40。电角度。
    整个电枢绕组的9个换向单元首尾相连成环形结构，可相应地引出9个出线端，同样用1、3、5、7、9、2、4、6和8标示。
    一个半桥电路构成一个电子换向器片，9个电子换向器片并联成一个电子换向器，上下桥臂分别接到直流电源的正负端，9个换向单元出线端分别接到半桥电路的中点，如图2所示。
    电子换向器中功率开关管的通断状态，决定了电枢绕组内电流的分布，反过米说电枢绕组内电流分布的要求决定了功率开关管的通断状态。对于直流电枢绕组来说应使电枢表面一个极距范围内的电流为同一方向，相邻极距范围内为反方向。图2中让功率开关管2和3’导通，其余都不导通，则电枢绕组分为2条支路，2、4、6、8、1换向单元为一条支路，流过正向电流；9、7、5、3换向单元为另一条支路，流过反向电流，使得N极下的电流为一个方向，s极下的电流另一方向，随着转子的转动，通电状态相应的变化。
    九换向单元New DcM的转子位置检测由9个霍尔元件来实现，9个霍尔信号依次相差40。度电角度，一个周期有18种状态。霍尔元件与相应的换向单元EMF的相位关系如图3所示(图中的EMF波形不代表真正的EMF波形，只用于说明EMF过零点与HALL信号的位置关系)，当电势过零时霍尔输出状态发生改变，电子换向器的导通状态也随之改变。
    一个电周期内18个通电状态顺序依次是2’3，34’，4’5．56’．6’7，78’，8’9，91’，1’2，23’，3’4，45’，5’6，67’，7’8，89’，9’1，12’，或相反(取决于电机的旋转方向)，使得EMF瞬时值为正的换向单元内电流为正，EMF瞬时值为负的换向单元内电流为负。即让电枢绕组在任何瞬间都是分成二条支路，任何一个换向单元的EMF瞬时值由正变负或由负变正时，都相应改变该换向单元内电流的方向，电机工作时的电枢绕组通电示意图如图4所示。更详细的九换向单元New DcM的工作原理见文献[2—4]。
    2数学模型及仿真换向问题是New DcM和有刷直流电机的主要问题，而New DcM的电子换向与有刷直流电机的机械换向有区别。机械换向有独立的换向回路，对主电路影响很小，所以其稳态运行时的电压方程非常简单，并日可以通过改变电刷材料、安装换向极、补偿绕组来改善换向。电子换向要达到机械换向的效果有一定的难度，图2给出的是******的电子换向器，其换向过程对主电路影响较大，会在一定程度上改变主电路的拓扑结构，有刷直流电机改善换向的方法也不适用，New DcM需要通过电机本体设计和电子换向器的结构设计来改善换向。为了后续对New DcM换向机理和改善换向方法的研究，建立了基于各换向单元的电压、电流为变量，绕组自感、互感、电阻和反电势等为参数的数学模型。
    2．1电机的数学模型根据电机绕组结构的对称性，测量出其中一个换向单元的自感及与其它换向单元的互感，可得到电机电感矩阵：
    2．2电机的simulink建模电机系统模型的建立根据模块化的建模思想，将New DcM分为：电动机本体模块、驱动电路(电子换向器)模块、转矩计算模块和逻辑换向模块。通过这些功能模块的有机整合，就可以在Matlah／sim—ulink中搭建出电动机系统的仿真模块，并实现电机特性的仿真。
    1)电机本体模块根据电机的电压方程式(1)可以得出等效的电机本体模型，因为电机的9个换向单元互感不相等，所以不能像三相BLDcM那样解耦成简单的一阶电路，需要通过迭代方法求解各换向单元电流值。换向单元的反电势和互感电压的影响由s函数实现，通过图5中的可控电压源来引入。
    2)驱动电路模块和逻辑换向模块电机的驱动电路模块(电子换向器)采用MOS—FET管组成的桥式电路，如图6所示，桥臂中点与电机本体模块的相应端相连接。电机的逻辑换向模块由s函数实现，s函数通过霍尔信号来控制换向单元换相，如图7所示。
    3)电机的转矩计算模块根据电机的转矩方程式(2)可以得出等效的电机转矩计算模块，如图8所示。9个换向单元电流