梁小偉, 嚴(yán) 彪
(同濟(jì)大學(xué) 上海市金屬功能材料應(yīng)用開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201804)
采用軟磁復(fù)合材料粉末冶金工藝生產(chǎn)的空調(diào)電機(jī)性能研究
梁小偉,嚴(yán)彪
(同濟(jì)大學(xué) 上海市金屬功能材料應(yīng)用開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海201804)
摘要:直流無刷電機(jī)的定子通常采用硅鋼材料沖壓后疊片制備而成.研究采用一種全新3D設(shè)計(jì)的粉末冶金工藝,并通過使用軟磁復(fù)合材料(SMC)來開發(fā)電機(jī)定子,成功用于房間空調(diào)系統(tǒng)中的變頻滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)電機(jī).通過與傳統(tǒng)疊片式電機(jī)定子進(jìn)行比較,探討了SMC的性能、此材料用于電機(jī)定子制造的設(shè)計(jì)優(yōu)勢以及這種新結(jié)構(gòu)的SMC電機(jī)的性能.結(jié)果表明:采用SMC制造的電機(jī)定子具有更大的設(shè)計(jì)自由度和更小的結(jié)構(gòu)尺寸;與傳統(tǒng)方式制造的電機(jī)定子比較,在不同的工作頻率下,SMC定子的電機(jī)性能略顯不足;通過優(yōu)化SMC、粉末冶金工藝和電機(jī)的設(shè)計(jì),可以顯著地改善SMC電機(jī)的性能.
關(guān)鍵詞:軟磁復(fù)合材料; 粉末冶金; 電機(jī); 3D設(shè)計(jì)
中國是家電大國,以空調(diào)為例,2014年的產(chǎn)量達(dá)到1.4億臺(tái),約占全球產(chǎn)量的85%.空調(diào)電機(jī)是滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的核心零件,其商品化生產(chǎn)依然通過對硅鋼材料采用連續(xù)沖壓疊片工藝制備.圖1是空調(diào)用滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)中采用的幾種電機(jī).
隨著能效能級的不斷提高[1],對空調(diào)壓縮機(jī)工作頻率的要求越來越高.尤其是高頻工作區(qū),對傳統(tǒng)電機(jī)中渦流效應(yīng)的抑制變得越來越困難,導(dǎo)致熱損失增加,電機(jī)的高效性能無法獲得滿意的效果.另外,采用這種工藝制造時(shí)還存在以下的不足:復(fù)雜的加工工藝需要大量的投資用于設(shè)備;較低的材料回收率,尤其是變頻電機(jī)的制造,超過30%的原材料無法有效利用;電機(jī)結(jié)構(gòu)和電磁場的優(yōu)化只能限制于2維(2D);電機(jī)在軸向上的熱擴(kuò)散不均勻;日益增加的成本和復(fù)雜的工藝限制了硅鋼材料在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)高頻電機(jī)上的應(yīng)用;這種電機(jī)的組件難以回收利用.
針對上述問題,已經(jīng)有研究將通過軟磁復(fù)合材料(SMC)直接成形的電驅(qū)動(dòng)部件應(yīng)用于交流電機(jī).這類軟磁復(fù)合材料非常適合用于復(fù)雜電機(jī)結(jié)構(gòu)中,對于解決上述問題具有很大的潛力[2-8],而且已經(jīng)有研究結(jié)果開始采用這種材料制造電機(jī)來替代傳統(tǒng)電機(jī),并用于汽車和電動(dòng)自行車等產(chǎn)品[3,9-11],其中Persson等[12]還在渦旋壓縮機(jī)上開展了電機(jī)的應(yīng)用研究.
1軟磁復(fù)合材料
純鐵粉顆粒,直徑大約100μm,外觀如圖2所示.經(jīng)過樹脂混合后充分地壓縮在一起,加熱制成鐵芯部件.圖3為壓制后的粉末磁芯部件的微觀結(jié)構(gòu)示意圖[4-5].
圖2 100 μm的純鐵粉顆粒
圖3 電絕緣的鐵粉顆粒
對于磁性能和力學(xué)性能而言,SMC是均質(zhì)材料,因此電機(jī)的磁回路設(shè)計(jì)可以采用3D結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)電機(jī)比較,增加了一個(gè)新的維度.另外,粉末冶金工藝更適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜、近成形、公差要求高和表面質(zhì)量要求高的復(fù)雜零部件.
圖4總結(jié)了目前為止主要不同磁性材料的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和磁通密度的關(guān)系.從圖4可見,鐵氧體在高頻區(qū)具有較小的鐵損,但是它的磁通密度也低,因此對于制作大型的鐵芯元件,存在不足;而硅鋼具有高的磁通密度,但是在高頻區(qū)運(yùn)行時(shí)鐵損高,因此也不適合.由于運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和磁通密度取決于實(shí)際應(yīng)用變化,對于交流電機(jī),SMC更適合于每一種應(yīng)用,并且能夠彌補(bǔ)上述兩種材料的不足[13].
圖4 不同磁性材料運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和磁通密度的關(guān)系
圖5為SMC1#和SMC2#以及硅鋼的磁化(B/H,B和H分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度)曲線.從圖5中可以看出,與硅鋼比較,最新開發(fā)的SMC的磁感應(yīng)強(qiáng)度較低,主要的影響來源于SMC的絕緣層,它作為一種分布的氣隙結(jié)構(gòu)存在于其結(jié)構(gòu)中.對于高磁阻電機(jī),例如永磁電機(jī),SMC較低的磁感應(yīng)強(qiáng)度對電機(jī)的性能影響有限,可以通過其他特性優(yōu)勢來彌補(bǔ).本文選用SMC2#進(jìn)行電機(jī)性能的研究[5].
圖5 不同磁性材料B/H曲線比較
2軟磁復(fù)合材料電機(jī)的設(shè)計(jì)
2.13D-磁通量和繞組結(jié)構(gòu)
作為均質(zhì)材料,SMC電機(jī)部件的設(shè)計(jì)采用3D磁通路.磁芯是由一個(gè)個(gè)絕緣的100μm的磁性粉末顆粒組成,可以使磁性材料的厚度降低到0.1mm,在交流磁場中可以顯著降低鐵損.這種特點(diǎn)可用于設(shè)計(jì)高磁通密度的回路,典型的案例如圖6所示.圖6呈現(xiàn)出SMC的3D優(yōu)勢.定子帶繞組的齒部分別采用硅鋼和SMC制備,并且采用同一高度,采用3D設(shè)計(jì)的SMC齒部,沿軸向頂部變長,芯部縮短,整個(gè)齒部更短,如圖7所示.對比傳統(tǒng)的2D沖壓疊片設(shè)計(jì),采用3D設(shè)計(jì)的最顯著優(yōu)勢在于不受轉(zhuǎn)子的限制,任何一種方案設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子都可以用于最終的電機(jī)[2,14-15].
圖6 不同電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)的比較
圖7 3D的SMC齒部
2.2定子結(jié)構(gòu)
重新設(shè)計(jì)后的SMC定子結(jié)構(gòu)如圖8所示,齒部通過鍵與定子根部上的槽進(jìn)行組裝.
2.3電機(jī)組裝
為了使電機(jī)的組裝兼顧成本和效率,減少了額外零件的使用,例如螺母和螺栓,如圖9所示.采用相同的齒部設(shè)計(jì),獨(dú)立繞組,最后統(tǒng)一安裝到定子根部上.通過這種更加整體的結(jié)構(gòu)方式,可以獲得更低
的電機(jī)成本.
電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖及其他參數(shù)如圖10和表1所示.
表1 疊片電機(jī)和3D SMC電機(jī)的參數(shù)
圖8 SMC定子結(jié)構(gòu)
圖9 SMC電機(jī)的組裝示意圖
圖10 電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
在采用同一轉(zhuǎn)子的條件下,與傳統(tǒng)疊片工藝比較,通過采用3DSMC粉末冶金工藝,使獲得更小尺寸的電機(jī)成為可能.這是因?yàn)?通過壓制圓形的SMC齒部,繞組長度從30mm降低到25mm,因此在相同的工作電流下,銅損顯著降低;槽滿率超過67%,而傳統(tǒng)疊片工藝只有60%;隨著齒部變大,用于繞組的面積變大,導(dǎo)致磁通密度降低,因此有利于鐵損降低;圓形齒部無鋒利的邊緣,可以使用更小線徑的銅線或者相同規(guī)格的銅線使用量降低,減少銅損;定子的高度可從60mm降低到45mm,銅線使用量從440g降低到360g.
3測試結(jié)果和討論
3.1電機(jī)的啟動(dòng)電壓
啟動(dòng)電壓可以采用公式進(jìn)行計(jì)算:
U=4.44fNφm
(1)
式中:U為電機(jī)的工作電壓;f為電機(jī)的工作頻率;N為繞組的個(gè)數(shù),φm為電機(jī)的磁通量.
測試結(jié)果如表2所示.
3.2電機(jī)的鐵損和銅損
總的鐵損包括渦流損失和磁滯損失.SMC中,通過對細(xì)小鐵粉的絕緣化處理已經(jīng)把渦流損失降到最低[16],因此其損失主要來自于磁滯損失.根據(jù)測試結(jié)果,在實(shí)際工況下,SMC的鐵損依然顯著高于傳統(tǒng)工藝,所以如何改善鐵粉的磁滯損失是這種新型工藝應(yīng)用的最大挑戰(zhàn).
銅損的計(jì)算按下述公式進(jìn)行,即:
表2 啟動(dòng)電壓比較
Q=I2R
(2)
式中:Q為銅損;I為繞組中的工作電流;R為繞組的電阻.
圖11為疊片電機(jī)和SMC電機(jī)的鐵損和銅損比較.即使SMC電機(jī)使用較少的銅線,其銅損依然略高于疊片電機(jī),可知其工作時(shí)存在較高的工作電流,說明SMC的飽和磁感應(yīng)能力較差,有待于優(yōu)化.
圖11 疊片電機(jī)和SMC電機(jī)的鐵損和銅損的比較
3.3電機(jī)的效率
在相同工況和轉(zhuǎn)子規(guī)格條件下,對兩種電機(jī)從1 000r/min到8 000r/min的工作效率進(jìn)行了對比測試,結(jié)果如圖12所示.從圖12中可見,低轉(zhuǎn)速下,SMC電機(jī)的工作效率要低10%左右;隨著轉(zhuǎn)速升高,該電機(jī)的性能升高,但是與傳統(tǒng)電機(jī)比較,依然要低3%左右.
4結(jié)語
通過采用SMC,對滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)用的疊片電機(jī)定子進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),并進(jìn)行了性能對比,得出以下結(jié)果:
(1) 經(jīng)過重新設(shè)計(jì),SMC電機(jī)的性能降低了3%~10%;
(2) 電機(jī)高度降低了約20%;
(3) 銅線繞組使用量降低了約20%.
總而言之,根據(jù)上述已經(jīng)獲得的試驗(yàn)結(jié)果,可以作為未來SMC粉末冶金電機(jī)改善和優(yōu)化的基礎(chǔ).改善鐵損的關(guān)鍵主要還是取決于使用材料的性能、粉末冶金工藝和電機(jī)的3D設(shè)計(jì).實(shí)際上通過3D優(yōu)化設(shè)計(jì)和磁通的進(jìn)一步集中,可以彌補(bǔ)SMC較弱的磁性能;再結(jié)合SMC性能的特性研究,最終可以成功實(shí)現(xiàn)商品化應(yīng)用.
圖12 SMC電機(jī)與疊片電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的工作效率比較
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Study on Performance of Powder Metallurgical Motor Developed with Soft Magnetic Composites
LIANG Xiaowei,YAN Biao
(ShanghaiKeyLab.D&AforMetal-FunctionalMaterials,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)
Abstract:The stator for brushless direct current(BLDC) motor is usually manufactured by laminating stamped silicon steel.In this paper motor stator is made of soft magnetic composites(SMC) by adopting a fresh new 3D design with powder metallurgical technology(PMT),which is applied in the inverter rotary piston compressor of room air conditioning system.The properties of SMC,the design advantages of using motor stator in manufacturation and performance of a new structure motor are addressed by comparing with the traditional laminated motor.The results show that SMC offers much more design freedom and smaller structure size.Compared with laminated motor,the motor made of SMC has a poorer performance under various operation frequencies.However,improvement on the performance of a SMC motor can be made by optimizing SMCs,PMT and design of the motor in the future.
Keywords:soft magnetic composites; powder metallurgical; motor; 3D design
文章編號(hào):1005-2046(2016)02-0021-07
DOI:10.13258/j.cnki.nmme.2016.02.004
收稿日期:2015-12-15
作者簡介:梁小偉(1978—),男,博士,高級工程師. 主要從事金屬材料表面處理和粉末冶金制品的應(yīng)用研究.
中圖分類號(hào):TF 124
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
E-mail:lxw202@sohu.com