家電領域用永磁無刷電動機

龔春雨，袁海林，陳 寶

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

與傳統電動機相比，永磁電動機具有結構簡單、體積小、能耗少、效率高等特點，其形狀和尺寸設計靈活，使用范圍極為廣泛。而永磁無刷電動機用電子換相取代機械換相，其可靠性更高，壽命更長，因此發展很快，應用前景廣闊。

本文所述家電領域用永磁無刷電動機主要是空調器、洗衣機、電冰箱用的電動機。

1 家電領域用電動機的演變

隨著社會發展和人們生活水平的不斷提高，家電需求量迅速增加，一個家庭中擁有的電動機數量多少已代表一個國家人們生活水平的高低。改革開放后，我國人民生活水平不斷提高，國內家電市場隨之不斷擴大，出口量也不斷增加，我國已是空調器、洗衣機、電冰箱等家電產品制造大國。家電領域用電動機目前約占微特電機總銷量的17%左右。

家用電器最早主要使用單相異步電動機，雖然其結構簡單、無驅動電路、使用方便、價格便宜，但其效率低、材料利用率低。上世紀90年代開始采用變頻調速異步電動機，雖然效率、利用率有所提高，但是轉子中仍然存在二次電流損耗，調速性能亦不如永磁無刷電動機。隨著永磁無刷電動機的發展，日本99%以上空調器采用永磁無刷電動機，替代變頻調速異步電動機。與單相異步電動機相比，在相同的額定功率和額定轉速下，則永磁無刷電動機的體積為其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。我國家領域電目前主要還是采用單相異步電動機和交流串勵電動機，但永磁無刷電動機需求量迅速增加。

家電產品消耗電能比例大，而電動機耗電是主要的。“十二五”期間我國積極推廣高效節能電機，其中包括永磁電機。

2 家電領域用電動機的基本要求

(1)高效率:人類面臨資源枯渴、能源緊張、環境污染和氣候變暖等問題，對使用量很大的家電領域用電動機要求高效節能是必然趨勢，是永恒的課題。

(2)靜音化:人們生活水平的提高，要求家電領域用電動機低振動、低噪聲，達到靜音化。

(3)低成本:家電領域用電動機因量大而競爭激烈，在滿足性能前提下，要求材料使用少，生產便于自動化，盡可能降低生產成本。

(4)高可靠、長壽命:電動機是家電中的關鍵件和運動件，要求可靠性高，壽命長。

3 家電領域用永磁無刷電動機的電樞設計

為了滿足家電領域用電動機的要求，人們對家電領域用永磁無刷電動機不斷進行研究、開發和改進，以滿足高效率、省材料、靜音化、低成本、高可靠、長壽命的要求。下面簡述空調器、洗衣機、電冰箱等家電用永磁無刷電動機的技術特點。

3.1 電樞

(1)電樞鐵心和繞組

傳統電動機采用整體電樞鐵心和分布繞組，將預先繞好的線圈嵌入槽內，線圈端部長度長，導線排列不整齊，槽滿率低，造成繞組電阻增大，電動機體積增加。為了提高繞組槽滿率，縮短繞組端部長度，節省材料，便于自動化生產，家電領域用永磁無刷電動機的電樞鐵心和繞組采用整體電樞鐵心和集中繞組;進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式和完全分割式兩種，圖1是整體電樞鐵心、鉸鏈式電樞鐵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構，導線由繞線機自動直線繞在每個齒上，縮短了繞組端部長度，導線排列整齊緊密，可以充分利用槽內空間，提高槽滿率。一般情況下，可以減小繞組每匝長度約20%，最高槽滿率可達到95%，從而使電機長度可縮小約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，若采用對稱分布的一模二付沖模，材料更省，節約矽鋼片。

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外圓同心度好。

(2)齒槽數和極數的選擇

采用分割式電樞鐵心沖片和集中繞組后，給電機設計帶來了限制。要合理選擇齒槽數與極數的配合，提高繞組系數，增加出力，采用斜槽或斜極，減小齒槽轉矩。

空調器用永磁無刷電動機一般選擇4極6槽、8極12槽、6極9槽、8極9槽和10極12槽的配合，根據式(1)～式(7)，它們的繞組參數設計如表1所示。

表1 5種極數/槽數配合參數計算結果

4極6槽電樞繞組電勢星形圖如圖2所示。

圖2 4極6槽電樞繞組電勢星形圖

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

8極12槽電樞繞組電勢星形圖如圖3所示。

從電樞繞組電勢星形圖可知，電樞并聯支路數可以為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槽電樞繞組電勢星形圖

6極9槽電樞繞組電勢星形圖如圖4所示。

從電樞繞組電勢星形圖可知，電樞并聯支路數可以為 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槽電樞繞組電勢星形圖

8極9槽電樞繞組電勢星形圖如圖5所示。

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

圖5 8極9槽電樞繞組電勢星形圖

10極12槽電樞繞組電勢星形圖如圖6所示。

從電樞繞線電勢星形圖可知，電樞并聯支路可以是 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矩

利用能量法得齒槽轉矩諧波次數:

斜槽系數:

對4極6槽、8極12槽、6極9槽、8極9槽、10極12槽等5種齒槽數和極數的配合，按式(8)～式(12)計算，結果如表2所示。

表2 5種極數/槽數配合參數計算結果

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

圖7 空調器用電機電樞

洗衣機用永磁無刷電動機極數和齒槽數配合有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用電機電樞圖如圖8所示。

圖8 洗衣機用電機電樞

3.2 轉子結構的永磁材料

轉子有內轉子和外轉子兩種，空調器風機用永磁無刷電動機兩種結構都有。洗衣機用直接驅動永磁無刷電動機是外轉子結構。壓縮機用永磁無刷電動機是內轉子結構。磁鋼有圓柱形整塊式、表面貼裝式和內嵌入式。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，如壓縮機用永磁無刷電動機。

3.3 電機機殼結構

電動機機殼有鐵殼式和塑封式兩種，塑封結構可以減小電機噪聲3～5 dB。

3.4 驅動控制

家電用永磁無刷電動機驅動控制主要功能是起動調速，精度要求不高，因此其驅動控制主要采用專用芯片，或簡單的單片機控制，以降低其成本。為了減小電機噪聲，提高效率和降低成本，隨著專用芯片性能不斷提高，從120°方波驅動發展到180°正弦波驅動，從有位置傳感器發展到無位置傳感器。

4 結 語

永磁無刷電動機系統的技術優越性使其應用越來越廣泛，是目前家電領域控制系統的重要元件。本文對家電用永磁無刷電動機系統的技術特點進行了分析，特別是關鍵的電樞鐵心和繞組的類型選擇以及齒槽數和極數的配合作了較為詳細的論述，采用分割式電樞鐵心和集中繞組結構可以縮短電機長度，減小體積，用材料更省;合理選擇齒槽數/極數的配合可以提高功率體積比;采用塑封機殼可以減小噪聲。這些措施使永磁無刷電動機更好地滿足家電用電動機高效率、低成本、靜音化、高可靠、長壽命的要求，對研究人員和設計人員有一定的參考意義。我國節能家電產品的推廣會大大促進永磁無刷電動機在家電中的應用，微特電機行業要加快產品結構調整，提高產品檔次，適應家電市場需求。

［1］ 中國電子科技集團公司第二十一研究所.2002年日本小電機技術譯文集［M］.上海，2002.

［2］ 中國電子科技集團公司第二十一研究所.2008年日本小電機技術譯文集［M］.上海，2008.

［3］ 葉金虎.現代無刷直流永磁電動機的原理和設計［M］.北京:科技出版社，2008.