摩托车用直流无刷起动磁电机及驱动电路设计

路边

摘　要：针对将直流无刷电机与摩托车磁电机集合在一起的直流无刷起动磁电机，分析了电机定、转子及驱动电路的设计特点，提出了设计方法。
关键词：直流无刷起动磁电机；直流无刷电机；磁电机；摩托车起动电机

1　引 言

目前电起动摩托车上起动电机和磁电机是2台独立的电机。起动电机为有刷永磁直流电动机，工作转速高，需经减速机构和超越离合器与发动机曲轴相连。磁电机飞轮永磁转子与发动机曲轴直接相连，起到发电和给发动机点火系统提供点火触发信号的作用。发动机结构复杂，超越离合器打滑时会严重影响摩托车的起动特性；起动电机通过电刷换向，电刷磨损严重，需要经常维护。
直流无刷起动磁电机是将直流无刷起动电机与磁电机合二为一。它省掉了减速机构和超越离合器，简化了发动机结构，提高了运行可靠性。使用它可轻易地将脚踏摩托车改装成电起动摩托车。但摩托车的价格越来越低，这就要降低直流无刷起动磁电机成本，电机磁瓦应选用铁氧体磁钢，而不采用钕铁硼材料。

2　总体结构

直流无刷起动磁电机为内定子及飞轮永磁外转子结构，其结构示意图如图1所示。


飞轮永磁外转子与发动机曲轴固定在一起，飞轮内腔均匀地粘贴有6块N、S极相间铁氧体磁瓦。飞轮端面均匀粘贴有3块用作位置传感器的弧形钕铁硼磁钢，从端面看去极性一致均匀为N极，此磁钢窄、薄、长，采用钕铁硼易加工，综合费用不高。飞轮外周设计有一小凸台，飞轮每旋转1周小凸台与触发器上的铁制凸台相对扫过1次，引起触发器内部永磁磁路磁通变化，在触发器内部线圈内感应出一个交变电势，此电势用作发动机点火系统的触发电机内定子铁心由0．35mm冷轧硅钢片叠压铆接而成，再经电泳塑料绝缘处理后，绕制Y接的直流无刷起动电机三相绕组及单相发电绕组，浸漆烘干后用螺杆固定在电机法兰底座上。底座上还安放着焊接有3个开关型霍尔元件用作位置传感器的弧形印刷电路板。电机法兰底座将固定在发动机机座上。

直流无刷起动磁电机的Y接三相绕组与三相半桥驱动电路联接，位置传感器上的3个开关型霍尔元件发来的位置信号经过处理后控制三相半桥驱动电路导通与关断，实现直流无刷起动磁电机电子换向。摩托车起动时，直流无刷起动电机部分由电池供电。摩托车起动后，直流无刷起动电机部分断电，单相发电绕组输出的大小及频率随飞轮转速变化的电势需经调压器给电池充电，同时给摩托车其它电器供电。

3　定子结构

直流无刷起动磁电机为内定子结构，电机轴向尺寸有限，结构非常紧凑。

以前，为了降低绕组端部高度，设计中采用了图2所示短距集中绕组方案［1］，即每对磁极下有3个齿，每相1个齿，每个齿上套一相集中绕组，三相绕组在空间上不存在重叠区域。图中A、B、C和F分别代表A、B、C三相起动绕组和交流发电绕组。虽然电机生产加工工艺简单，但绕组实际跨距为120°电角度，绕组系数较低，每相绕组基本电磁转矩梯形波的平顶部分最宽为60°电角度，三相绕组的合成基本电磁转矩脉动量较大，再叠加上磁阻转矩，最大电磁转矩与最小电磁转矩相差近1倍，为使最小起动转矩大于规定值，只好采用钕铁硼磁瓦，电机成本高，且性能不佳。

现在采用图3所示多层整距分部绕组方案。齿槽比短距集中绕组方案多1倍，即每对磁极下有6个齿槽，每相2个槽。先在底部绕属于A相槽的A相这一层部分绕组，然后再绕属于B相槽的B相那一层部分绕组，再绕属于C相槽的C相那一层部分绕组；随后再按上述规律绕属于A、B、C相另外一层部分绕组。每相部分绕组即可串联也可并联，但每条并联支路串联匝数要相同。最后，再在属于A相槽中绕交流发电绕组。虽然绕组绕制工艺复杂了，但它却能有效地降低绕组端部高度，增加铁心有效长度，且绕组系数为1，绕组利用率高。当铁氧体磁瓦的极弧角度大于120°电角度时，每相绕组基本电磁转矩梯形波的平顶部分大于120°电角度，三相绕组的合成基本电磁转矩为一恒定值。铁氧体磁瓦产生的磁阻转矩也较小，再适当增加轴向铁心长，也能保障最小起动转矩大于规定值，满足设计要求，成本低。




4　转子结构

飞轮转子由低碳钢冷拉而成。飞轮转子内腔均匀粘贴的6块铁氧体磁瓦，由于定子上绕制多层整距分部绕组，为了获得较大的电磁转矩，减小脉动，磁瓦的极弧角度选择得远大于120°电角度［2，3］，设计中选择为140°电角度。

为了确保运行时每个时刻三相半桥中总有一个桥臂通电，避免起动死区，飞轮端面弧形位置传感器磁钢空间电角度应大于120°，实际设计为140°电角度。

5　驱动电路

由于直流无刷起动磁电机的起动电流很大，为了简化驱动电路，节省功率MOS管，选择三相半桥方案。每相绕组轮流各导通120°电角度，与三相全桥相比，功率器件费用减少1／2，也防止了全桥有可能出现的功率管同臂导通现象，功率管工作安全性大大提高。不但降低了成本，而且提高了可靠性，由于功率MOS管导通电阻具有正温度系数，并联运行时有自动均流特性，三相都采用3个2SK1506功率MOS管并联工作。

起动时若起动电流太大，对电池不利，因此二相绕组不能同时通电。飞轮端面弧形位置传感器磁钢空间电角度大于120°，为140°电角度，位置传感器3个霍尔元件空间相距120°电角度，会出现2个霍尔元件同时有位置信号输出。在控制电路中必需对位置信号进行处理，当下一个霍尔元件刚有位置信号输出时，立即驱动相应功率管导通，同时封锁前一相功率管驱动信号，确保每一时刻有且仅有一相绕组通电，确保正常起动。

直流无刷起动磁电机的驱动电路如图4所示。T1～T10为9014，T11～T13为8050，T14～T16为8550，M1～M3为功率MOS管，A、B、C为电机三相绕组。R15～R17与C2～C4构成阻容吸收电路。功率MOS管为电压跟随推挽输出驱动，管耗低。系统通电时，C1上电压缓慢上升，T10截止，T4、T5、T6导通，确保各功率MOS管都处于截止状态，避免误动作损坏功率MOS管。经过几十ms延时，T10导通，T4、T5、T6截止，允许电机起动。HA、HB、HC为3个霍尔元件传感器，传感器为集电极开路输出，需上拉电阻，有磁场时输出0，无磁场时输出1。假定通电后HA上先有磁场而输出0，T1截止，M1导通，A相绕组通电，电机起动；同时经R10使T9导通，M3不能导通，仅A相绕组通电。电机旋转，当HB上有磁场而输出0时，T2截止，M2导通，B相通电；同时T7导通，封锁A相。同样HC上有磁场而输出0时，C相通电，由R12封锁B相。这样周而复始，电机迅速起动起来。此电路简单、可靠、成本低。


6　技术指标

所研制的直流无刷起动磁电机适用于AX100型摩托车。电机飞轮外径112mm，壁厚4．5mm，轴向总长度80mm，铁心长度50mm，空气隙1．2mm，磁瓦厚9mm。三相起动绕组采用Φ0.9mm漆包线，每相有3条并联支路，每条并联支路48匝。发电绕组采用Φ0.8mm漆包线，共56匝。其主要技术指标为：

（1）起动性能

起动绕组为短期工作制，配用12V、7Ah铅酸蓄电池。按每30s时间间隔起动1次，每次工作6s考核。

最小堵转转矩不小于：5Nm
最大堵转电流不大于：120A
空载转速不小于：1 200r／min

（2）发电性能

单相交流发电绕组为连续工作制。要求充电电流在飞轮转速为2 200r／min时1．0A，飞轮的转速为8 000r／min时6．0A。