林 巖 王震宇 楊小峰 申修沇

（樂金電子（天津）電器有限公司，天津 300402）

1 引言

隨著國家能效等級制度的制定，空調(diào)器市場準(zhǔn)入門檻提高。為了適應(yīng)全球能源戰(zhàn)略發(fā)展趨勢以及滿足消費者日益提高的舒適生活環(huán)境要求，各空調(diào)器生產(chǎn)廠家正投入大量人力、物力、財力，開發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品。變頻技術(shù)作為提高空調(diào)器能效的發(fā)展方向之一，不但迎合了國家節(jié)能減排政策的實施落實，更為重要的是變頻空調(diào)器可以通過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速使得房間在短時間內(nèi)達到設(shè)定溫度，并在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)下以較小的溫差波動，實現(xiàn)快速、節(jié)能、舒適的控溫效果。作為變頻空調(diào)器的核心部件之一的變頻調(diào)速永磁同步電機，自然成為了各空調(diào)器生產(chǎn)廠家研究開發(fā)的重點和方向。隨著稀土永磁材料在家電行業(yè)中的廣泛應(yīng)用以及消費者對產(chǎn)品質(zhì)量日趨嚴(yán)格的要求，永磁電機的可靠性分析與驗證顯得尤為重要和迫切。 本文以某款變頻空調(diào)用調(diào)速永磁同步電機的開發(fā)為例，介紹了已開發(fā)電機的性能并通過樣機實驗結(jié)果驗證仿真結(jié)果對比情況；對采用的永磁材料在高溫下退磁情況進行了模擬實際工況驗證。

2 樣機開發(fā)

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計

雖然表面粘貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁體易于實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計，使之成為能使電動機氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀[1]，但是考慮到變頻壓縮機電機的特殊工況以及較高的轉(zhuǎn)速（最高轉(zhuǎn)速：9000r/min），開發(fā)的電機采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。常用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖2 開發(fā)樣機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

開發(fā)過程中，對原有產(chǎn)品進行了優(yōu)化設(shè)計，在簡化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、提高生產(chǎn)工藝性的同時，調(diào)節(jié)“V”形永磁體之間夾角角度，選擇最優(yōu)值，使得反電動勢波形更接近于正弦，降低轉(zhuǎn)矩脈動。開發(fā)樣機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用4極36槽結(jié)構(gòu)。在3600轉(zhuǎn)/分情況下，電機相反電動勢及諧波分析如圖3所示。

圖3 相反電動勢及諧波分析

2.2 轉(zhuǎn)矩脈動優(yōu)化設(shè)計

為了減低壓縮機以及整個空調(diào)系統(tǒng)的噪音與振動，除了對開發(fā)電機進行機械結(jié)構(gòu)分析以外，還應(yīng)該盡可能的降低轉(zhuǎn)矩脈動。通過合理電磁設(shè)計和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得氣隙磁密接近于正弦分布[2]。降低轉(zhuǎn)矩脈動的方法在諸多文獻中有所介紹，但是從所開發(fā)電機結(jié)果來看，采用非均勻氣隙是效果最為明顯的一種方法。開發(fā)過程中對不同隔磁磁橋，不同的非均勻氣隙實現(xiàn)方式進行了仿真驗證，尋求轉(zhuǎn)矩脈動最小、效率最高值。文中所提的轉(zhuǎn)矩脈動計算方法如下：

表1 是在不同隔磁磁橋以及非均勻氣隙等幾種情況下對轉(zhuǎn)矩脈動、銅損、鐵損、效率的仿真結(jié)果比較；圖4是均勻氣隙與兩種非均勻氣隙的轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果比較。

表1 不同情況下電機參數(shù)比較

圖4 均勻氣隙與非均勻氣隙轉(zhuǎn)矩比較

2.3 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性分析

由于永磁體的存在，調(diào)速永磁同步電動機的勵磁磁動勢一般是通過調(diào)節(jié)定子電流即增加定子直軸去磁電流分量來達到弱磁擴速的目的。合理設(shè)計交直軸電感參數(shù)可以提高電機弱磁擴速能力。基于正弦波永磁同步電機dq軸數(shù)學(xué)模型，可以得到電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩方程[1]

結(jié)合所開發(fā)電機的交直軸電感參數(shù)，以及考慮到電機的運行與逆變器直流側(cè)電壓和最大輸出電流的限制，可以將電機定子電流矢量軌跡描繪出來（Vmax=380V），如圖5所示；不同電壓下電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性如圖6所示。

圖5 定子電流矢量軌跡

圖6 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性（V1＞V2＞V3＞V4）

3 信賴性分析

3.1 燒結(jié)釹鐵硼（NbFeB）材料的熱穩(wěn)定性

為了適應(yīng)家電產(chǎn)品小型化、節(jié)能、高效的發(fā)展趨勢，燒結(jié)釹鐵硼永磁材料以其高剩磁密度的優(yōu)點得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但燒結(jié)NdFeB永磁材料也有其不足之處，就是溫度特性差，具體體現(xiàn)在居里溫度較低、溫度系數(shù)高兩方面。燒結(jié)NdFeB材料的居里溫度一般為 310～410℃左右，而鐵氧體的居里溫度為450℃，釤鈷為800～850℃左右，鋁鎳鈷甚至比釤鈷還要高些；NdFeB永磁材料溫度系數(shù)中剩磁 Br的溫度系數(shù) α(Br)可達-0.13%/K，內(nèi)稟矯頑力HcJ的溫度系數(shù) α(HcJ)達-(0.6-0.7)%/K。中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13560-2000給出α（Br）典型值為-0.12%/K，α(HcJ)為-0.6%/K(25～140℃)[3]，而 IEC 60404-8-1 給出 α(Br)為-(0.1～0.12)%/K，α(HcJ)為-(0.45～0.6)%/K(20～100℃)[4]，較高的溫度系數(shù)造成其磁性能熱穩(wěn)定性較差，高溫下使用時磁損失較大。一般NdFeB永磁材料在高溫下使用時，其退磁曲線的下半部分要產(chǎn)生彎曲，如圖7所示。

圖7 退磁曲線與回復(fù)曲線示意圖

3.2 電機高溫信賴性驗證

為了防止由于永磁材料熱穩(wěn)定性差而產(chǎn)生電機失磁，必須對永磁電機在高溫工況下進行信賴性驗證。首先應(yīng)該知道每一種型號NdFeB永磁材料在最高工作溫度下退磁曲線拐點的位置，使電機在最不利情況下（包括高溫度、大電流）工作點仍然在永磁體退磁曲線拐點的上方往返變化。當(dāng)電機停止運行時，永磁材料的剩余磁感應(yīng)強度 Br基本不變。目前常用的測量設(shè)備是磁滯回線測試儀，測試過程中采用的測量線圈是 J-H線圈，通過測出的 J-H曲線來計算出B-H曲線。圖8是某一牌號永磁體測試曲線，可以得到不同溫度下內(nèi)稟矯頑力曲線和退磁曲線。

圖8 不同溫度下實測曲線

為了確保永磁電機在空調(diào)使用過程中不發(fā)生失磁，除了了解永磁體的性能參數(shù)以外，在開發(fā)過程中還對樣機進行了更為嚴(yán)格的現(xiàn)場測試、驗證。將原有測功機系統(tǒng)進行改進，安裝恒溫箱進行不同溫度下的測試。

首先是將電機放置于恒溫箱內(nèi)，在不施加電流的情況下，將恒溫箱溫度從120℃升至250℃，并分別在不同的溫度下保溫兩個小時，通過測量反電動勢來驗證永磁體失磁與否。實測參數(shù)如表2所示。從實測結(jié)果來看，考慮到永磁材料自身特性，在 200℃以下永磁體不會發(fā)生失磁。

表2 不同溫度下反電動勢（標(biāo)幺值）

其次是將電機軸固定于直軸位置，至于恒溫箱內(nèi)，在不同溫度下施加直流去磁電流，結(jié)果如表 3所示。從120oC實測結(jié)果來看，在直軸電流小于60A情況下，永磁電機不會發(fā)生失磁。考慮到逆變器最大電流輸出限制，開發(fā)的永磁電機完全滿足實際工況下的信賴性要求。

表3 120℃時不同去磁電流下反電動勢（標(biāo)幺值）

4 結(jié)論

本文以之前開發(fā)的空調(diào)器用正弦波調(diào)速永磁同步電動機為例，介紹了電機參數(shù)計算以及信賴性試驗的方法。

為使開發(fā)樣機應(yīng)用于規(guī)模生產(chǎn)并投放市場，在規(guī)避目前專利的基礎(chǔ)上，優(yōu)化電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低轉(zhuǎn)矩脈動。

在保證電機高效節(jié)能的同時，對永磁電機高溫下可能發(fā)生的失磁問題進行了模擬工況驗證試驗。從實驗結(jié)果來看，所開發(fā)的變頻電機性能參數(shù)達到甚至遠遠超過開發(fā)要求。

[1]唐任遠. 現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京∶機械工業(yè)出版社,1997.

[2]王秀和. 永磁電機[M]. 北京∶中國電力出版社,2007.

[3]中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13560-2000∶燒結(jié)釹鐵硼永磁材料.

[4]IEC 60404-8-1∶2001,Magnetic materials - Part 8-1∶Specifications for individual materials-magnetically hard materials.