家電領(lǐng)域用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

龔春雨，袁海林，陳 寶

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)相比，永磁電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、能耗少、效率高等特點(diǎn)，其形狀和尺寸設(shè)計(jì)靈活，使用范圍極為廣泛。而永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)用電子換相取代機(jī)械換相，其可靠性更高，壽命更長(zhǎng)，因此發(fā)展很快，應(yīng)用前景廣闊。

本文所述家電領(lǐng)域用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)主要是空調(diào)器、洗衣機(jī)、電冰箱用的電動(dòng)機(jī)。

1 家電領(lǐng)域用電動(dòng)機(jī)的演變

隨著社會(huì)發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，家電需求量迅速增加，一個(gè)家庭中擁有的電動(dòng)機(jī)數(shù)量多少已代表一個(gè)國(guó)家人們生活水平的高低。改革開放后，我國(guó)人民生活水平不斷提高，國(guó)內(nèi)家電市場(chǎng)隨之不斷擴(kuò)大，出口量也不斷增加，我國(guó)已是空調(diào)器、洗衣機(jī)、電冰箱等家電產(chǎn)品制造大國(guó)。家電領(lǐng)域用電動(dòng)機(jī)目前約占微特電機(jī)總銷量的17%左右。

家用電器最早主要使用單相異步電動(dòng)機(jī)，雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)驅(qū)動(dòng)電路、使用方便、價(jià)格便宜，但其效率低、材料利用率低。上世紀(jì)90年代開始采用變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，雖然效率、利用率有所提高，但是轉(zhuǎn)子中仍然存在二次電流損耗，調(diào)速性能亦不如永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。隨著永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，日本99%以上空調(diào)器采用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，替代變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)。與單相異步電動(dòng)機(jī)相比，在相同的額定功率和額定轉(zhuǎn)速下，則永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的體積為其38%，重量為其34.8%，用銅量為其20.9%，用鐵量為其36.5%，效率提高10%左右。我國(guó)家領(lǐng)域電目前主要還是采用單相異步電動(dòng)機(jī)和交流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，但永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)需求量迅速增加。

家電產(chǎn)品消耗電能比例大，而電動(dòng)機(jī)耗電是主要的?！笆濉逼陂g我國(guó)積極推廣高效節(jié)能電機(jī)，其中包括永磁電機(jī)。

2 家電領(lǐng)域用電動(dòng)機(jī)的基本要求

(1)高效率:人類面臨資源枯渴、能源緊張、環(huán)境污染和氣候變暖等問(wèn)題，對(duì)使用量很大的家電領(lǐng)域用電動(dòng)機(jī)要求高效節(jié)能是必然趨勢(shì)，是永恒的課題。

(2)靜音化:人們生活水平的提高，要求家電領(lǐng)域用電動(dòng)機(jī)低振動(dòng)、低噪聲，達(dá)到靜音化。

(3)低成本:家電領(lǐng)域用電動(dòng)機(jī)因量大而競(jìng)爭(zhēng)激烈，在滿足性能前提下，要求材料使用少，生產(chǎn)便于自動(dòng)化，盡可能降低生產(chǎn)成本。

(4)高可靠、長(zhǎng)壽命:電動(dòng)機(jī)是家電中的關(guān)鍵件和運(yùn)動(dòng)件，要求可靠性高，壽命長(zhǎng)。

3 家電領(lǐng)域用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電樞設(shè)計(jì)

為了滿足家電領(lǐng)域用電動(dòng)機(jī)的要求，人們對(duì)家電領(lǐng)域用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不斷進(jìn)行研究、開發(fā)和改進(jìn)，以滿足高效率、省材料、靜音化、低成本、高可靠、長(zhǎng)壽命的要求。下面簡(jiǎn)述空調(diào)器、洗衣機(jī)、電冰箱等家電用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)。

3.1 電樞

(1)電樞鐵心和繞組

傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)采用整體電樞鐵心和分布繞組，將預(yù)先繞好的線圈嵌入槽內(nèi)，線圈端部長(zhǎng)度長(zhǎng)，導(dǎo)線排列不整齊，槽滿率低，造成繞組電阻增大，電動(dòng)機(jī)體積增加。為了提高繞組槽滿率，縮短繞組端部長(zhǎng)度，節(jié)省材料，便于自動(dòng)化生產(chǎn)，家電領(lǐng)域用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電樞鐵心和繞組采用整體電樞鐵心和集中繞組;進(jìn)而采用分割式電樞鐵心和集中繞組，分割式電樞鐵心有鉸鏈?zhǔn)胶屯耆指钍絻煞N，圖1是整體電樞鐵心、鉸鏈?zhǔn)诫姌需F心和完全分割電樞鐵心沖片圖。

圖1 各種電樞鐵心沖片圖

分割式電樞鐵心和集中繞組結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線由繞線機(jī)自動(dòng)直線繞在每個(gè)齒上，縮短了繞組端部長(zhǎng)度，導(dǎo)線排列整齊緊密，可以充分利用槽內(nèi)空間，提高槽滿率。一般情況下，可以減小繞組每匝長(zhǎng)度約20%，最高槽滿率可達(dá)到95%，從而使電機(jī)長(zhǎng)度可縮小約30%，體積減小25%左右。分割式電樞鐵心沖片可以用帶狀材料沖制，廢料較少，若采用對(duì)稱分布的一模二付沖模，材料更省，節(jié)約矽鋼片。

分割式電樞鐵心的拼塊接縫處要緊密，不能有間隙，才能保證定子磁路平衡和不增加磁阻，為此分割電樞鐵心沖片的模具精度要求高，同時(shí)要有專用的拼裝夾具，才能保證接縫緊密和拼裝后的電樞鐵心內(nèi)外圓同心度好。

(2)齒槽數(shù)和極數(shù)的選擇

采用分割式電樞鐵心沖片和集中繞組后，給電機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了限制。要合理選擇齒槽數(shù)與極數(shù)的配合，提高繞組系數(shù)，增加出力，采用斜槽或斜極，減小齒槽轉(zhuǎn)矩。

空調(diào)器用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)一般選擇4極6槽、8極12槽、6極9槽、8極9槽和10極12槽的配合，根據(jù)式(1)～式(7)，它們的繞組參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 5種極數(shù)/槽數(shù)配合參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4極6槽電樞繞組電勢(shì)星形圖如圖2所示。

圖2 4極6槽電樞繞組電勢(shì)星形圖

從電樞繞組電勢(shì)星形圖可知，電樞并聯(lián)支路數(shù)可以為1 和4。E1、E4為 U 相;E2、E5為 V 相;E3、E6為W相。

8極12槽電樞繞組電勢(shì)星形圖如圖3所示。

從電樞繞組電勢(shì)星形圖可知，電樞并聯(lián)支路數(shù)可以為1、2和4。E1、E4、E7、E10為 U相;E2、E5、E8、E11為 V相;E3、E6、E9、E12為 W相。

圖3 8極12槽電樞繞組電勢(shì)星形圖

6極9槽電樞繞組電勢(shì)星形圖如圖4所示。

從電樞繞組電勢(shì)星形圖可知，電樞并聯(lián)支路數(shù)可以為 1 和 3，E1、E4、E7為 U 相;E2、E5、E8為V 相;E3、E6、E9為 W 相。

圖4 6極9槽電樞繞組電勢(shì)星形圖

8極9槽電樞繞組電勢(shì)星形圖如圖5所示。

從電樞繞組電勢(shì)星形圖可知，電樞并聯(lián)支路數(shù)只能是 1，E1、E3、-E2是 U 相;E4、E6、-E5是V 相;E7、E9、-E8是 W相。

圖5 8極9槽電樞繞組電勢(shì)星形圖

10極12槽電樞繞組電勢(shì)星形圖如圖6所示。

從電樞繞線電勢(shì)星形圖可知，電樞并聯(lián)支路可以是 1和 2，E1、-E2;-E7、E8為 U 相;E4，-E3;-E10、E9為 V 相;E5、-E6;-E11、E12為 W 相。

圖6 10極12槽電樞繞組星形圖

(3)采用斜槽或斜極減小齒槽轉(zhuǎn)矩

利用能量法得齒槽轉(zhuǎn)矩諧波次數(shù):

斜槽系數(shù):

對(duì)4極6槽、8極12槽、6極9槽、8極9槽、10極12槽等5種齒槽數(shù)和極數(shù)的配合，按式(8)～式(12)計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 5種極數(shù)/槽數(shù)配合參數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表1可知，不論直槽還是斜槽，8極9槽和10極12槽的繞組系數(shù)較大，在相同有效體積下其輸出轉(zhuǎn)矩，也就是輸出功率較大，同時(shí)γ值較大，CT較小，因此齒槽轉(zhuǎn)矩也較小，但是由于電磁不對(duì)稱，尤其是8極9槽，故振動(dòng)較大，為此要加強(qiáng)轉(zhuǎn)子支承剛度。不論直槽還是斜槽，4極6槽、8極12槽、6極9槽繞組系數(shù)是一樣的，在相同有效體積下其輸出轉(zhuǎn)矩，也就是輸出功率是一樣的。根據(jù)額定電壓大小，電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)8極12槽選擇余地最大，并聯(lián)支路可以1、2、4。某繞制好的空調(diào)器用電機(jī)電樞圖如圖7所示。

圖7 空調(diào)器用電機(jī)電樞

洗衣機(jī)用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)極數(shù)和齒槽數(shù)配合有20極/24槽、24極/36槽、46極/36槽、56極/42槽等。

某塑繞制好的洗衣機(jī)用電機(jī)電樞圖如圖8所示。

圖8 洗衣機(jī)用電機(jī)電樞

3.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁材料

轉(zhuǎn)子有內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種，空調(diào)器風(fēng)機(jī)用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)兩種結(jié)構(gòu)都有。洗衣機(jī)用直接驅(qū)動(dòng)永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。壓縮機(jī)用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。磁鋼有圓柱形整塊式、表面貼裝式和內(nèi)嵌入式。為了減低成本，永磁材料采用鐵氧體磁鋼較多，也有稀土釹鐵硼永磁材料，如壓縮機(jī)用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。

3.3 電機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)機(jī)殼有鐵殼式和塑封式兩種，塑封結(jié)構(gòu)可以減小電機(jī)噪聲3～5 dB。

3.4 驅(qū)動(dòng)控制

家電用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制主要功能是起動(dòng)調(diào)速，精度要求不高，因此其驅(qū)動(dòng)控制主要采用專用芯片，或簡(jiǎn)單的單片機(jī)控制，以降低其成本。為了減小電機(jī)噪聲，提高效率和降低成本，隨著專用芯片性能不斷提高，從120°方波驅(qū)動(dòng)發(fā)展到180°正弦波驅(qū)動(dòng)，從有位置傳感器發(fā)展到無(wú)位置傳感器。

4 結(jié) 語(yǔ)

永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)越性使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，是目前家電領(lǐng)域控制系統(tǒng)的重要元件。本文對(duì)家電用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，特別是關(guān)鍵的電樞鐵心和繞組的類型選擇以及齒槽數(shù)和極數(shù)的配合作了較為詳細(xì)的論述，采用分割式電樞鐵心和集中繞組結(jié)構(gòu)可以縮短電機(jī)長(zhǎng)度，減小體積，用材料更省;合理選擇齒槽數(shù)/極數(shù)的配合可以提高功率體積比;采用塑封機(jī)殼可以減小噪聲。這些措施使永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)更好地滿足家電用電動(dòng)機(jī)高效率、低成本、靜音化、高可靠、長(zhǎng)壽命的要求，對(duì)研究人員和設(shè)計(jì)人員有一定的參考意義。我國(guó)節(jié)能家電產(chǎn)品的推廣會(huì)大大促進(jìn)永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在家電中的應(yīng)用，微特電機(jī)行業(yè)要加快產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高產(chǎn)品檔次，適應(yīng)家電市場(chǎng)需求。

［1］ 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所.2002年日本小電機(jī)技術(shù)譯文集［M］.上海，2002.

［2］ 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所.2008年日本小電機(jī)技術(shù)譯文集［M］.上海，2008.

［3］ 葉金虎.現(xiàn)代無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的原理和設(shè)計(jì)［M］.北京:科技出版社，2008.