吸塵器中高效永磁通用電機(jī)的研究

劉 偉 劉萬(wàn)振 Joonsik. Choi 林江波

（樂(lè)金電子（天津）電器有限公司，天津 300402）

隨著人們生活水平的不斷提高，吸塵器越來(lái)越多的走入人們的家庭，極大方便了人們的日常生活，成為家庭必備的生活家電之一。做為吸塵器的核心部件，電機(jī)日益受到廠家的重視，成為產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。吸塵器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求很高，一般在20000～30000r/min，通常采用通用電機(jī)。該電機(jī)轉(zhuǎn)速高，體積小，重量輕，調(diào)速方便，但也存在一些問(wèn)題：電機(jī)的效率低，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，振動(dòng)噪音大。隨著“綠色環(huán)保、節(jié)能高效”觀念的深入，市場(chǎng)需求高質(zhì)量、高能效的產(chǎn)品。因此，本文提出了一種新結(jié)構(gòu)的高效永磁通用電機(jī)。

1 永磁通用電機(jī)工作原理及有限元分析

1.1 工作原理

高效永磁通用電機(jī)，即在通用電機(jī)的基礎(chǔ)上，定子附加永磁磁極，以增大氣隙磁密，減小勵(lì)磁電流，借以提高電機(jī)的效率。電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)比如圖 1所示，永磁通用電機(jī)在定子磁極頂部插入了永磁磁極用以產(chǎn)生主極磁通。電機(jī)通入直流電流，在定子中產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子利用碳刷和換向器引入電流，以保證轉(zhuǎn)子受力方向不變，持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 有限元分析

針對(duì)一臺(tái) 500W 的永磁通用電機(jī)，利用 Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行有限元分析，仿真計(jì)算電機(jī)的相關(guān)性能。由于永磁磁極的引入，會(huì)使電機(jī)在效率上有所提高，但同時(shí)也對(duì)電機(jī)其他性能造成了影響，為了保證電機(jī)的正常運(yùn)行，必須把這些方面的影響降到最低。

電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)29000r/min，所帶負(fù)載為風(fēng)扇。風(fēng)扇的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速近似為二次方的關(guān)系，轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)的運(yùn)行工況影響很大。為了運(yùn)行的平穩(wěn)性，要求電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)盡可能小。電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖 2所示，從圖中可以看出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很大且存在負(fù)轉(zhuǎn)矩。

圖2 輸出轉(zhuǎn)矩曲線

由于永磁磁極和轉(zhuǎn)子槽的相互作用，轉(zhuǎn)矩中存在齒槽轉(zhuǎn)矩，齒槽轉(zhuǎn)矩的曲線如圖3所示。齒槽轉(zhuǎn)矩波形正負(fù)半周對(duì)稱，對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩有效值沒(méi)有影響，但會(huì)引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。將輸出轉(zhuǎn)矩曲線進(jìn)行分解，分離出的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分量與齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示，可以看出它們的變化波形基本一致，因此，齒槽轉(zhuǎn)矩是引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要因素，必須加以削弱。

1.3 負(fù)轉(zhuǎn)矩分析

從圖2中，可以看出輸出轉(zhuǎn)矩中存在負(fù)轉(zhuǎn)矩，負(fù)轉(zhuǎn)矩是由于永磁磁極引入所產(chǎn)生的，它將減小電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和效率，必須加以消除。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電源電壓us達(dá)到幅值Umax的電路圖如圖5所示，電路電壓方程為

圖3 齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

圖4 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分量與齒槽轉(zhuǎn)矩的對(duì)比

圖5 us=Umax時(shí)的等效電路

當(dāng)電源電壓us過(guò)零時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎不變，永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)要高于電源電壓，如圖 6所示。此時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即為負(fù)轉(zhuǎn)矩。負(fù)轉(zhuǎn)矩會(huì)減小電機(jī)的有效輸出轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)效率下降。另外，需要特別注意，此時(shí)反電動(dòng)勢(shì)將直接加到整流二極管上，使二極管的壽命縮短。

圖6 us=0時(shí)的等效電路

2 齒槽轉(zhuǎn)矩和負(fù)轉(zhuǎn)矩的削弱

為了減小齒槽轉(zhuǎn)矩，消除負(fù)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)一步提高電機(jī)效率，通過(guò)改變永磁磁極的位置，使其遠(yuǎn)離氣隙。利用Ansoft Maxwell軟件，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的電機(jī)模型進(jìn)行有限元分析，經(jīng)過(guò)對(duì)比優(yōu)化后的電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7所示，引入永磁磁通支路，加入氣隙以減小漏磁通。

圖7 優(yōu)化后電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)定子電流i1為零時(shí)，磁路中只有永磁磁極產(chǎn)生的磁通，磁通大部分都經(jīng)過(guò)支路閉合，如圖8所示。電樞繞組沒(méi)有交鏈主磁通，不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此，輸出轉(zhuǎn)矩中沒(méi)有負(fù)轉(zhuǎn)矩成分存在，達(dá)到了消除負(fù)轉(zhuǎn)矩的目的。當(dāng)定子電流i1達(dá)到幅值Imax時(shí)，磁通分布如圖9所示，支路的磁密很低，軛部磁密較高，要適量加厚軛部寬度，防止軛部磁密過(guò)高。

圖8 i1=0時(shí)，磁通分布圖

圖9 i1=Imax時(shí)，磁通分布圖

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的波形如圖10所示，從圖中可以看出輸出轉(zhuǎn)矩中沒(méi)有負(fù)轉(zhuǎn)矩成分，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也被極大的削弱了，優(yōu)化的電機(jī)滿足了設(shè)計(jì)要求。電機(jī)效率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線如圖 11所示，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在29000r/min時(shí)，達(dá)到最高效率71.28%。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線如圖12所示。

圖10 輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖11 效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖12 輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證有限元仿真得到的結(jié)論，加工兩臺(tái)500W 的永磁通用電機(jī)樣機(jī)，采用初始和優(yōu)化后兩種結(jié)構(gòu)，進(jìn)行電機(jī)吸入功率實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖 13所示。利用不同孔徑的通風(fēng)孔，來(lái)測(cè)量不同工作點(diǎn)電機(jī)的性能參數(shù)。所測(cè)效率為電機(jī)和風(fēng)扇的整體效率，通過(guò)分離出的已知風(fēng)扇效率，即可得到樣機(jī)的效率，這種間接測(cè)量的方法可以十分方便快速的得到電機(jī)的效率。

圖13 吸入功率實(shí)驗(yàn)臺(tái)

表1為優(yōu)化樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比，從中可以看出所得結(jié)果基本一致，仿真結(jié)果存在一定誤差，這是因?yàn)樵诜抡嬗?jì)算時(shí)，電刷與換向器的接觸電阻很難精確賦值，但這不影響在電機(jī)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算中的定性分析，所得結(jié)論可以信賴。表2為樣機(jī)初始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出優(yōu)化后電機(jī)的效率有所提高，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 初始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

（1）齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁通用電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要原因，為了減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，可使永磁磁極遠(yuǎn)離氣隙。

（2）永磁磁極的引入會(huì)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，負(fù)轉(zhuǎn)矩會(huì)減小電機(jī)的有效輸出轉(zhuǎn)矩，降低效率，可以通過(guò)引入永磁磁通支路有效消除。

（3）本文提出的新結(jié)構(gòu)永磁通用電機(jī)可以有效減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和負(fù)轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)效率，達(dá)到72.97%。

（4）為了得到高能效的產(chǎn)品，不只要提高電機(jī)本體的效率，還要注重電機(jī)與風(fēng)扇的匹配。

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