高效节能型空调通风机用电动机分析与设计

郑 鑫， 邱泽晶， 彭旭东

[南瑞(武汉)电气设备与工程能效测评中心,湖北 武汉 430074]

0 引 言

空调室外通风机用电动机普遍采用电容起动与运转式单相异步电动机驱动，效率一般在40%以下[1]。三相无刷直流电动机体积小、重量轻、调速性能好、效率高、节能效果好、输出转矩大[2-3]，实践表明： 三相无刷直流电动机驱动的通风机比普通感应电机驱动的通风机节能约20%[4]。效率的提高使得风机的耗能明显下降。这一功率等级的三相无刷直流电动机及其驱动系统的成本很低，其应用前景被广大家用空调制造厂看好,同时对其尺寸、耐压程度、齿槽转矩等提出新的要求。因此，合理设计三相无刷直流电动机有重要意义。

本文研究的三相无刷直流电动机用于驱动通风机，设计了一款额定功率200W，额定转速1800r/min 的三相无刷直流电动机，给出了设计思路，并利用Ansys/Maxwell 2D建立了该电动机的二维有限元仿真模型，对模型的定转子磁场、气隙磁场谐波次数及幅值、磁力线分布情况、齿槽转矩大小、输出转矩大小等进行仿真，并在此基础上制造样机，完成了测功试验，验证了Maxwell 2D有限元仿真分析的准确性，表明了无刷直流电动机节能效果显著的特点。

1 电动机电磁设计

1.1 主要技术指标

该方案的电动机额定功率PN=200W，额定电流IN=1A，额定转速nN=1800r/min，输出转矩T=1.3N·m，电机效率η在75%以上。

1.2 三相无刷直流电动机主要尺寸

式中：nN——额定转速，取1800r/min；

L——铁心长度；

P——计算功率；

Kφ——极弧系数；

KW——基波绕组系数；

A——电负荷；

Bδ——气隙磁密平均值。

电动机性能和成本的影响主要在于电动机的长径比，电动机的长径比在0.7～1.5浮动。在设计无刷直流电机过程中，考虑到通风机尺寸限制及惯性大的特点，电动机长径比适当选择小一些[6]。

1.3 磁性材料

对于永磁无刷直流电动机，如果电动机转子尺寸相同，那么转矩与气隙磁密成正比，而气隙磁密与磁极材料密切相关[7]。无刷直流电动机上应用的磁性材料主要是铁氧体和钕铁硼。铁氧体主要原料是金属氧化物，其化学稳定性好、重量轻、电阻高，可在-40～200℃工作，其矫顽力的温度系数为0.27%/K。在允许范围内温度越高，矫顽力越高。钕铁硼矫顽力温度系数为-(0.4～0.7) %/K，通常最高工作温度低于150 ℃，温度稳定性能比铁氧体差[8]。就剩磁Br和矫顽力Hc而言，钕铁硼材料比铁氧体要大，在相同尺寸条件下可提供更大的气隙磁通，电动机输出更大的转矩，但钕铁硼价格远超过铁氧体。

永磁无刷直流电动机可通过增加磁铁厚度和供磁面积来增大气隙磁通[9]。转子磁极采用磁性较弱的铁氧体，磁负荷较低，电动机齿槽转矩和输出转矩波动较小，能减小噪音及实现电动机较平稳运行[10]。

综上所述，在电动机尺寸允许的情况下，使用铁氧体作为磁性材料是最合适的选择。

1.4 永磁体结构的选择

无刷直流电动机最常用的磁极结构有瓦片状、面包状、圆筒状等几种[11-12]，如图1所示。

图1 常用磁极结构

本方案设计的电动机采用面包状磁极，其具有以下优点：

(1) 永磁体加工方便，生产效率高，且比瓦片状磁极节省材料；

(2) 方便对永磁体外圆厚度和极弧宽度进行优化，可抑制齿槽转矩[13]。

1.5 永磁体厚度

永磁体是永磁电机的磁动势源，表贴式结构的永磁体厚度hm按需要的气隙磁通密度通过磁路计算来选择，此外还需考虑抑制最大过流时的去磁能力。在利用Ansys软件设计电机过程中，可根据经验预估永磁体的磁化方向长度，计算校验出永磁体的空载工作点，使得Bδ=(0.6～0.85)Br[14]。

1.6 电枢有效铁心长度

铁氧体永磁无刷直流电机电负荷大，降低电动机制造成本的关键在于降低铜的用量。电动机设计中采用较大的铁心长度可有效提高电动机的铜利用率，降低电动机的制造成本[15]。

2 电动机Ansys/Maxwell建模

三相无刷直流电动机主要结构参数如表1所示。

表1 电动机主要结构参数表

首先将利用RMxprt建立的电机模型导入Maxwell 2D中，通过定义电动机各部分材料和边界条件，施加激励源和进行网格剖分等步骤[16-17],建立三相无刷直流电动机有限元网格剖分二维模型，如图2所示。建模过程如下。

(1) 根据已知参数在CAD中画好模型图，导入Maxwell 2D，建立三相无刷直流电动机的二维有限元模型。

(2) 确定定子、转子冲片材料属性，并添加磁性材料的B-H曲线数据，确定永磁体的剩磁Br和矫顽力Hc。

(3) 确定有限元计算的剖分、激励源及边界条件，确定电动机求解过程中的各种损耗。

(4) 确定电动机额定负载、求解时间的步长、运动边界条件等。

图2 电动机有限元网格剖分二维模型

3 电动机有限元仿真结果及分析

3.1 磁场分布

给三相电枢绕组施加1A电流，仿真电动机切向磁云密度分布，如图3所示。通过Maxwell静磁场可求出空载气隙磁密为0.28T，满足设计要求。

图3 电动机切向磁云密度分布

给三相电枢绕组施加1A电流，仿真电动机在不同位置下的磁场分布，如图4所示。从图4可知，不同时刻的负载磁场分布；主磁通与转子磁极交链，参与机电能量转换。从图4还可知转子磁极漏磁通经过气隙、定子齿后回到转子磁极，不与定子绕组交链，不参与机电能量转换。

图4 电动机磁场分布

3.2 反电势波形

电动机的反电势波形如图5所示。一般情况下电机的反电动势接近梯形，该反电势有效值为49.6V。

图5 电动机的反电势波形

3.3 齿槽转矩

在Maxwell 2D模型中，用电压源计算，电阻设为无穷大，计算得到电动机的齿槽转矩如图6所示。从图中可测出齿槽转矩的最大值为0.081N·m。

图6 电动机齿槽转矩

3.4 气隙磁密

图7 电动机气隙磁密波形

利用Ansys软件的Maxwell 2D求解静磁场，得到样机气隙磁密的波形如图7所示，求得静磁场气隙最大磁密Bδmax=0.34T，对气隙磁密傅里叶分解得磁场谐波次数及幅值，如表2所示。由表2中数据求出谐波畸变率为39.2%。

表2 磁场谐波次数及幅值

3.5 输出转矩

永磁无刷直流电机在施加200V电压时，考虑电动机的起动过程,电动机在nN=1800r/min过程中的电磁转矩如图8所示。电动机稳定运行后，其电磁转矩平均值为1.3N·m，最高点和最低点相差0.64N·m，输出转矩较平稳。

图8 带起动过程的电磁转矩

4 样机试验验证

根据上述参数制作了样机，样机定子、转子、机壳如图9所示。

图9 样机定子、转子、机壳图

风扇负载与转速的立方成正比，通过调节电机的转速可调节风扇的风量。本文设计的电动机在50%～60%额定负荷下运行。传统的感应电机，每时每刻都需要励磁电流，故电动机在轻载低速运行时比满载额定运行时的输入功率未明显减小，轻载时效率较低。当通风机负荷变化时，可调节转速，能大大减少电动机的输入功率，从而达到节约能源的目的。风扇在4个不同转速时，电动机的性能测试值如表3所示。从表中可看出，在不同转速时(低速)，电动机输出功率分别为51.5、100.2、150.8W时，电动机的效率都在60%以上，这充分体现了三相无刷直流电动机节能、高效的优点。

表3 不同转速下电动机性能测试值

电动机在200V直流电压，转速调节到额定转速nN=1800r/min时，用测功机对样机进行测验。软件计算值和样机测试值对比如表4所示。

由表4可知，用Maxwell软件计算的理论值和样机实验值较接近，误差都在5%以内，验证了设计的准确性和方案的可靠性。

5 结 语

本文设计了一款1800r/min，12槽8极，200W三相无刷直流电动机，利用Maxwell 2D软件对该电动机进行了仿真分析，并与试验值进行了对比，验证了仿真的可靠性。该电动机已成功应用于驱动某款通风机，并批量生产，实际节能效果显著。

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