洗衣机永磁同步电机的热仿真分析 *

沈 利 忠

(浙江科宁电机有限公司 技术部， 浙江 湖州 313009)

随着经济社会的发展和人民生活水平的提高，洗衣机不断朝着环保和智能方向发展。市场上受欢迎的智能型洗衣机主要有两种：一种是波轮式，另一种是滚筒式[1]15 [2]20。两种智能洗衣机都是利用电机驱动波轮或者滚筒，使衣服在离心力作用下，借助水流和洗涤剂的作用进行清洗。因此，驱动电机的工作性能决定了洗衣机的洗涤性能(如能效等级、洗净比等)，洗衣机的智能化离不开电机性能的优化提升。

传统洗衣机电机采用机械传动机构调节洗涤和脱水时的内筒转速，但洗衣机的效率较低、噪声较大。为了减少上述不足，目前的洗衣机电机正在向同步化和直驱化方向发展。目前，波轮式洗衣机主要采用单相感应电机，滚筒式洗衣机采用的电机类型较多，包括串激电机、三相交流异步电机和永磁同步电机等。所有电机中，永磁同步电机的效率最高、噪声最低，比如已有的艾默生永磁同步电机，其最高效率能达到90%。但是，由于该型电机结构组成中的控制器成本较高，导致其总体成本较高。若其控制器价格能下降，则该型电机将在洗衣机制造中得到广泛应用，甚至可能逐步取代感应电机和串激电机[3]24。

由上述介绍可知，同步电机的优势很明显。本实验针对一款外转子永磁同步电机进行研究，建立热模型进行仿真计算，并采用实验方法进行验证，以探求电机结构优化改进的新方法，缩短电机开发时间，节约开发成本。

一、电机基本参数的设计计算

(一)初始模型及参数设计

根据洗衣机的性能和尺寸，本实验所设计的永磁同步电机结构(以下简称电机)如图1所示(参见图1)，主要包括壳体1、外转子(转子磁钢和转子铁芯)2、定子铁芯3。其中，转子铁芯和电机外壳注塑成型。电机中的基本参数如表1所示(参见表1)。

图1 电机结构图

表1 电机的基本参数

(二)电机损耗的计算

在洗衣机电机运行时，转子磁钢和三相交变电流之间相互作用，致使电机内部形成变化磁场。变化的磁场作用于转子磁钢和铁芯，使其内部产生磁滞损耗和涡流损耗。电流流经绕组铝线时，会产生发热损耗。根据电机结构及材料参数，可分别计算电机在额定工况下的定子铁芯损耗、绕组损耗和转子磁钢涡流损耗。

铁芯损耗的计算较为复杂，本实验采用Berttotti铁芯损耗分离模型进行计算[4]8-9：

P=Ph+Pc+Pε=KhfB2+Kcf2B2+Kεf1.5B1.5

(1)

式中：，P为铁芯损耗，W；Ph为磁滞损耗，W；Pc为涡流损耗，W；Pε为异常损耗，W；f为交变电流频率，Hz；B为磁密幅值，T；Kh为磁滞损耗系数；Kc为涡流损耗系数；Kε为异常损耗系数。

电机运行时，电流流经绕组铝线产生的损耗，可按下式计算：

PAl=m∑(I2R)

(2)

式中：PAl为绕组损耗，W；m为电流相数；I为电流有效值，A；R为绕组平均电阻值，Ω。

转子磁钢涡流损耗相对较小，体积为V的涡流损耗值可按下式计算[5]1438-1444：

(3)

式中：Peav为转子磁钢涡流损耗，W；J为涡流密度，A/m3；J*为共轭涡流密度，A/m3；σ为转子磁钢的电导率，Ω-1。

由于转子铁芯损耗值和转子磁钢涡流损耗值非常小，在计算中可忽略不计[6]60-62。可通过上述公式计算电机在额定工况下工作的主要损耗值(参见表2)。

表2 电机各部分的损耗值 (单位：W)

二、电机仿真计算

本实验采用Motor-CAD进行电机热仿真分析。这是一款全球领先的电机电磁、热设计软件，也是全球唯一一款专业的电机热路、磁场、磁热互耦仿真设计软件，在电机设计领域具有良好的声誉和优秀的表现。其电机热计算模块可以实现电机各部分的稳态、瞬态温升计算，电机不同工况如空载、额定、短路、循环工况的温升计算，以及各部分耗散热量分布计算、各部件热容、热阻、对流换热系数计算等；还可以根据不同的结构形式、材料特性、冷却方式等参数进行仿真分析、优化温升计算，功能十分强大[7]16。

(一)电机热模型的建立

根据电机的样机尺寸及相关材料，运用Motor-CAD热仿真模块，建立如图2所示的热仿真模型(参见图2)。具体包括电机外壳1、转子铁芯2、转子磁钢3、定子铁芯4和绕组5等部件的发热情况。电机中定子与转子之间存在1 mm的气隙。由于电机定子铁芯与绕组之间存在槽绝缘6，因此铁芯上缠绕的铝线与定子铁芯之间存在1 mm的绝缘层(参见图3)。缠绕铝线上的绝缘漆膜参数可在铝线绝缘层材料进行设定[8]25。

图2 电机热仿真模型图 图3 定子铁芯和绕组局部图

(二)电机工作状态的设定

全自动洗衣机的工作，需经历洗涤、漂洗和脱水三个过程。洗衣机的不同工作模式会带来电机不同的温升情况。其中，棉麻洗程序时电机的温升最高。棉麻洗程序的一个周期进水至少135 s，洗涤90 min；其漂洗过程比较复杂，依次为脱水4 min，进水至少135 s，洗涤3 min；第一个周期结束之后，又进行第二个周期、第三个周期的漂洗，最终脱水9 min。在上述过程中，电机频繁启动/停止，且在不同状态下，电机的转速也会发生改变，停转比也在发生变化。这些改变都会影响电机的内部损耗值，从而影响电机温升。

由于在电机温升测试中包含上述三个周期，因此，在仿真软件中，应该按照设定的棉麻洗程序，编写时间-转速周期运行程序(参见图4)。图4为一个周期的时间-转速图。

(三)电机温升仿真的结果

在Motor-CAD仿真软件中依次输入该电机结构、材料和运行等参数，环境温度设为25 ℃，完成上述三个周期的电机温度仿真计算。电机在三个周期运行结束后，各部件的终态温度如图5所示(参见图5)。由图5可知，电机温度较高的区域集中在定子铁芯和绕组部分，绕组的平均温度为71.5 ℃，定子铁芯(轭部)的平均温度为70.5 ℃，定子铁芯(齿部)的平均温度为70.4 ℃。这是因为，电机热量主要来源于定子铁芯(轭部和齿部)和绕组损耗。从热传导基本理论可知，热源位置对应的温度较高。

图4 一个周期内的电机转速图示 图5 电机各部件终态温度图示

通过以上分析可知，电机的定子铁芯和绕组的温度较高。该结构处的瞬态温度变化如图6所示(参见图6)。从图6可以看出，定子铁芯和绕组的温度在三个周期中的整体变化趋势一致，但不同周期中对应的同一运行瞬时，其运行周期靠后时，对应温度有所上升。

由于三个周期中定子铁芯和绕组的温度变化趋势较一致，因此，可以选用第一个周期分析电机在洗衣机不同运行状态时的温度变化。从中可以看出：洗衣机处于洗涤状态时，温度逐渐上升。洗衣机处于漂洗状态时，洗衣机脱水后开始进水时，电机的停转次数减少，温度有所下降；洗衣机进水完成后，会进行3 min的洗涤，此时电机又开始频繁启停，温度就又逐渐上升。两次漂洗，其温度的变化趋势相同，后一次漂洗的整体温度有所下降。这是因为，电机启停次数减少后，产热小于向外界环境散热，所以温度下降。洗衣机处于最终完全脱水状态时，电机高速运转，产热大幅降低，所以温度也下降。

三、电机温升实验对比

为了验证所建立的电机热模型的正确性，课题组搭建了电机温升实验装置(参见图7)。该装置由洗衣机和TOPRIE 多路数据记录仪组成，TOPRIE多路数据记录仪用来记录温度信息。其中，横坐标为测试时间，纵坐标为温度值。在电机内部埋置若干热电偶，并实时监控电机的运行功率。

图6 电机定子铁芯和绕组的温度曲线图 图7 电机温升实验测试装置图示

实验装置对电机绕组的温度测试结果如图8所示(参见图8)。通过与仿真所得温度结果进行对比，发现两者整体变化趋势相同。在相同周期内，洗衣机处于洗涤状态时，温度逐渐升高；处于漂洗状态时，温度先下降后上升；在最终脱水状态时，温度逐渐降低。

为了将绕组的温度实验结果与仿真结果进行对比，并考虑到电机在三个周期中温度变化趋势大体一致，课题组对周期Ⅰ中的温度极值依次进行编号。所获得实验和仿真温度结果如表3所示(参见表3)。从表3可知：电机绕组的实验结果与仿真结果之间的最大相差为2.4 ℃，误差为3.2%；电机绕组与仿真的最大温升分别为51.1 ℃和52.2 ℃，误差相差为2.1%。由以上分析可知，绕组的温升仿真结果与实验结果具有良好的一致性。说明本实验所建立的电机仿真模型是正确的，可用于指导该型电机的优化设计，缩短开发周期，节约开发成本。