高效節能型空調通風機用電動機分析與設計

鄭 鑫， 邱澤晶， 彭旭東

[南瑞(武漢)電氣設備與工程能效測評中心,湖北 武漢 430074]

0 引 言

空調室外通風機用電動機普遍采用電容起動與運轉式單相異步電動機驅動，效率一般在40%以下[1]。三相無刷直流電動機體積小、重量輕、調速性能好、效率高、節能效果好、輸出轉矩大[2-3]，實踐表明： 三相無刷直流電動機驅動的通風機比普通感應電機驅動的通風機節能約20%[4]。效率的提高使得風機的耗能明顯下降。這一功率等級的三相無刷直流電動機及其驅動系統的成本很低，其應用前景被廣大家用空調制造廠看好,同時對其尺寸、耐壓程度、齒槽轉矩等提出新的要求。因此，合理設計三相無刷直流電動機有重要意義。

本文研究的三相無刷直流電動機用于驅動通風機，設計了一款額定功率200W，額定轉速1800r/min 的三相無刷直流電動機，給出了設計思路，并利用Ansys/Maxwell 2D建立了該電動機的二維有限元仿真模型，對模型的定轉子磁場、氣隙磁場諧波次數及幅值、磁力線分布情況、齒槽轉矩大小、輸出轉矩大小等進行仿真，并在此基礎上制造樣機，完成了測功試驗，驗證了Maxwell 2D有限元仿真分析的準確性，表明了無刷直流電動機節能效果顯著的特點。

1 電動機電磁設計

1.1 主要技術指標

該方案的電動機額定功率PN=200W，額定電流IN=1A，額定轉速nN=1800r/min，輸出轉矩T=1.3N·m，電機效率η在75%以上。

1.2 三相無刷直流電動機主要尺寸

式中：nN——額定轉速，取1800r/min；

L——鐵心長度；

P——計算功率；

Kφ——極弧系數；

KW——基波繞組系數；

A——電負荷；

Bδ——氣隙磁密平均值。

電動機性能和成本的影響主要在于電動機的長徑比，電動機的長徑比在0.7～1.5浮動。在設計無刷直流電機過程中，考慮到通風機尺寸限制及慣性大的特點，電動機長徑比適當選擇小一些[6]。

1.3 磁性材料

對于永磁無刷直流電動機，如果電動機轉子尺寸相同，那么轉矩與氣隙磁密成正比，而氣隙磁密與磁極材料密切相關[7]。無刷直流電動機上應用的磁性材料主要是鐵氧體和釹鐵硼。鐵氧體主要原料是金屬氧化物，其化學穩定性好、重量輕、電阻高，可在-40～200℃工作，其矯頑力的溫度系數為0.27%/K。在允許范圍內溫度越高，矯頑力越高。釹鐵硼矯頑力溫度系數為-(0.4～0.7) %/K，通常最高工作溫度低于150 ℃，溫度穩定性能比鐵氧體差[8]。就剩磁Br和矯頑力Hc而言，釹鐵硼材料比鐵氧體要大，在相同尺寸條件下可提供更大的氣隙磁通，電動機輸出更大的轉矩，但釹鐵硼價格遠超過鐵氧體。

永磁無刷直流電動機可通過增加磁鐵厚度和供磁面積來增大氣隙磁通[9]。轉子磁極采用磁性較弱的鐵氧體，磁負荷較低，電動機齒槽轉矩和輸出轉矩波動較小，能減小噪音及實現電動機較平穩運行[10]。

綜上所述，在電動機尺寸允許的情況下，使用鐵氧體作為磁性材料是最合適的選擇。

1.4 永磁體結構的選擇

無刷直流電動機最常用的磁極結構有瓦片狀、面包狀、圓筒狀等幾種[11-12]，如圖1所示。

圖1 常用磁極結構

本方案設計的電動機采用面包狀磁極，其具有以下優點：

(1) 永磁體加工方便，生產效率高，且比瓦片狀磁極節省材料；

(2) 方便對永磁體外圓厚度和極弧寬度進行優化，可抑制齒槽轉矩[13]。

1.5 永磁體厚度

永磁體是永磁電機的磁動勢源，表貼式結構的永磁體厚度hm按需要的氣隙磁通密度通過磁路計算來選擇，此外還需考慮抑制最大過流時的去磁能力。在利用Ansys軟件設計電機過程中，可根據經驗預估永磁體的磁化方向長度，計算校驗出永磁體的空載工作點，使得Bδ=(0.6～0.85)Br[14]。

1.6 電樞有效鐵心長度

鐵氧體永磁無刷直流電機電負荷大，降低電動機制造成本的關鍵在于降低銅的用量。電動機設計中采用較大的鐵心長度可有效提高電動機的銅利用率，降低電動機的制造成本[15]。

2 電動機Ansys/Maxwell建模

三相無刷直流電動機主要結構參數如表1所示。

表1 電動機主要結構參數表

首先將利用RMxprt建立的電機模型導入Maxwell 2D中，通過定義電動機各部分材料和邊界條件，施加激勵源和進行網格剖分等步驟[16-17],建立三相無刷直流電動機有限元網格剖分二維模型，如圖2所示。建模過程如下。

(1) 根據已知參數在CAD中畫好模型圖，導入Maxwell 2D，建立三相無刷直流電動機的二維有限元模型。

(2) 確定定子、轉子沖片材料屬性，并添加磁性材料的B-H曲線數據，確定永磁體的剩磁Br和矯頑力Hc。

(3) 確定有限元計算的剖分、激勵源及邊界條件，確定電動機求解過程中的各種損耗。

(4) 確定電動機額定負載、求解時間的步長、運動邊界條件等。

圖2 電動機有限元網格剖分二維模型

3 電動機有限元仿真結果及分析

3.1 磁場分布

給三相電樞繞組施加1A電流，仿真電動機切向磁云密度分布，如圖3所示。通過Maxwell靜磁場可求出空載氣隙磁密為0.28T，滿足設計要求。

圖3 電動機切向磁云密度分布

給三相電樞繞組施加1A電流，仿真電動機在不同位置下的磁場分布，如圖4所示。從圖4可知，不同時刻的負載磁場分布；主磁通與轉子磁極交鏈，參與機電能量轉換。從圖4還可知轉子磁極漏磁通經過氣隙、定子齒后回到轉子磁極，不與定子繞組交鏈，不參與機電能量轉換。

圖4 電動機磁場分布

3.2 反電勢波形

電動機的反電勢波形如圖5所示。一般情況下電機的反電動勢接近梯形，該反電勢有效值為49.6V。

圖5 電動機的反電勢波形

3.3 齒槽轉矩

在Maxwell 2D模型中，用電壓源計算，電阻設為無窮大，計算得到電動機的齒槽轉矩如圖6所示。從圖中可測出齒槽轉矩的最大值為0.081N·m。

圖6 電動機齒槽轉矩

3.4 氣隙磁密

圖7 電動機氣隙磁密波形

利用Ansys軟件的Maxwell 2D求解靜磁場，得到樣機氣隙磁密的波形如圖7所示，求得靜磁場氣隙最大磁密Bδmax=0.34T，對氣隙磁密傅里葉分解得磁場諧波次數及幅值，如表2所示。由表2中數據求出諧波畸變率為39.2%。

表2 磁場諧波次數及幅值

3.5 輸出轉矩

永磁無刷直流電機在施加200V電壓時，考慮電動機的起動過程,電動機在nN=1800r/min過程中的電磁轉矩如圖8所示。電動機穩定運行后，其電磁轉矩平均值為1.3N·m，最高點和最低點相差0.64N·m，輸出轉矩較平穩。

圖8 帶起動過程的電磁轉矩

4 樣機試驗驗證

根據上述參數制作了樣機，樣機定子、轉子、機殼如圖9所示。

圖9 樣機定子、轉子、機殼圖

風扇負載與轉速的立方成正比，通過調節電機的轉速可調節風扇的風量。本文設計的電動機在50%～60%額定負荷下運行。傳統的感應電機，每時每刻都需要勵磁電流，故電動機在輕載低速運行時比滿載額定運行時的輸入功率未明顯減小，輕載時效率較低。當通風機負荷變化時，可調節轉速，能大大減少電動機的輸入功率，從而達到節約能源的目的。風扇在4個不同轉速時，電動機的性能測試值如表3所示。從表中可看出，在不同轉速時(低速)，電動機輸出功率分別為51.5、100.2、150.8W時，電動機的效率都在60%以上，這充分體現了三相無刷直流電動機節能、高效的優點。

表3 不同轉速下電動機性能測試值

電動機在200V直流電壓，轉速調節到額定轉速nN=1800r/min時，用測功機對樣機進行測驗。軟件計算值和樣機測試值對比如表4所示。

由表4可知，用Maxwell軟件計算的理論值和樣機實驗值較接近，誤差都在5%以內，驗證了設計的準確性和方案的可靠性。

5 結 語

本文設計了一款1800r/min，12槽8極，200W三相無刷直流電動機，利用Maxwell 2D軟件對該電動機進行了仿真分析，并與試驗值進行了對比，驗證了仿真的可靠性。該電動機已成功應用于驅動某款通風機，并批量生產，實際節能效果顯著。

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