壓縮機用外轉子永磁同步電機結構優(yōu)化

張興志，孫建龍，范 杰

(上海海立電器有限公司，上海 201206)

0 引 言

隨著消費者對生活環(huán)境舒適的要求越來越高，對壓縮機電機提出了高效率、低噪聲、穩(wěn)定運行、變頻調速的高性能要求。外轉子永磁電機具有高功率密度、結構緊湊、長壽命和安全可靠的優(yōu)點[1]，但外轉子永磁電機也存在磁鋼成本較高、加工較難的劣勢，有必要對外轉子電機進行深入研究。

近年相關的電機學者和電機企業(yè)已對外轉子電機進行了大量的研究工作[2-4]，早期主要是定速外轉子電機，主要應用在風機上。隨著國家全面提升電機能效水平和促進電機產(chǎn)業(yè)轉型升級，永磁同步電機得到了較快發(fā)展，同時永磁材料的快速發(fā)展也極大地推動了永磁電機的開發(fā)應用。伴隨著永磁電機的快速發(fā)展，越來越多的學者開始對外轉子永磁電機展開研究，并將外轉子電機應用到越來越多的領域。華北電力大學的王艾萌通過對外轉子電機電樞齒部磁密和繞組系數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)不等齒寬結構能夠提高輸出轉矩[5]。同濟大學的左曙光對外轉子輪轂電機電磁噪聲測試方法及特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)轉速對電磁噪聲影響較大，負載扭矩對其影響較小[6]。三洋電器股份有限責任公司對洗衣機用外轉子永磁電機進行了研究，主要通過不等厚磁鐵的設計，優(yōu)化氣隙磁密，提高輸出轉矩[7]。

在冰箱壓縮機上的應用以思科普公司和日本株式會社日立制作所為代表，這兩家公司在外轉子冰箱壓縮機上做了較多研究，并且思科普公司已有相關產(chǎn)品。該款產(chǎn)品相比其他冰箱壓縮機，結構明顯緊湊，體積大大減小，且通過相關資料的調查發(fā)現(xiàn)，該款壓縮機的噪聲振動也較小，從而結構緊湊、體積小、噪聲小成為該款壓縮機的賣點。

隨著電動汽車和混合電動汽車市場的興起，電動渦旋壓縮機研究也越來越熱。偉世通公司在2010年推出了新型、輕便的外轉子電動壓縮機，并將該款外轉子電動壓縮機應用在了最近推出的寶馬7系混合動力車上。

本文為了將外轉子電機結構緊湊、轉動慣量大、高效低噪聲的優(yōu)勢應用于空調壓縮機中，滿足消費者對空調壓縮機高效率、低噪聲、穩(wěn)定運行、變頻調速的高性能要求，進行了外轉子壓縮機電機的方案設計，并對電機定子齒軛比、齒靴、磁鐵厚度、極弧系數(shù)等進行了一系列優(yōu)化，使得影響電機噪聲的發(fā)電電壓諧波、齒槽轉矩和轉矩脈動降到最低，最后進行了樣機試制、實驗平臺搭建以及樣機實驗驗證。

1 壓縮機用外轉子電機

本文計劃對壓縮機用外轉子電機進行研究，電機主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機主要參數(shù)

轉速范圍：1 000～8 000 r/min。

2 電機結構設計

2.1 結構尺寸設計

對于具有外轉子電機的壓縮機，外轉子電機在追求高輸出轉矩的同時，電機的損耗尤其是鐵耗會快速增加導致電機效率下降。轉子軛部厚度r、磁鐵厚度m、齒寬t對電機磁密大小有很大影響，進而影響電機的鐵耗大小，如圖1所示。

圖1 外轉子電機沖片圖

磁鐵厚度與轉子軛部厚度的比例一般為0.38≤m/r≤0.6。r越大，轉子軛部越容易承受磁通量，從而外轉子電機的輸出轉矩越大，但r增大,會導致外轉子電機的體積和尺寸的增大；m/r增大，鐵損成增大的趨勢，在[0.38,0.6]區(qū)間內，轉矩有較大的增大趨勢，鐵損增加緩慢。

轉子軛部與定子齒部的比例為1.8≤t/r≤2.5。隨著t/r增大，輸出轉矩成飽和的趨勢，當定子齒的寬度增大到一定程度時，定子齒的磁阻大小已基本不變，電機的轉矩電流比不變，若t/r≥1.8，隨著t/r比值的增大，鐵損持續(xù)下降；但由于定子槽需要一定的空間容納定子繞組，因此定子齒的寬度不能過大。

2.2 定子齒靴削極設計

現(xiàn)有外轉子電機定子齒靴外沿是定子外圓的一部分，導致反電動勢諧波較大，影響電機性能和噪聲[8]。為了優(yōu)化電機的反電動勢，現(xiàn)有技術選擇對磁鐵的形狀進行優(yōu)化，包括不等厚磁鐵，對磁鐵進行削極角處理等。但由于技術原因以及磁鐵的特性，一些復雜形狀的磁鐵制作加工難度大、成本高，因此本設計從定子沖片優(yōu)化設計的角度出發(fā)，通過在定子沖片的齒上進行削極處理，實現(xiàn)不均勻氣隙，使電機的氣隙磁密正弦性更好，減小電機的反電動勢諧波含量，改善電機的性能和噪聲。

定子所在的外圓半徑為R，定子槽口所在的外圓半徑為r，削極角度為θ，削極深度為h(h=R-r)，定子槽數(shù)為S，定子齒的中心線與相鄰槽中心線的夾角為Ψ(Ψ=180/S)；削極角度θ≤Ψ，削極的角度不能過大，也不能過小。削極角度過小，效果不明顯，氣隙磁密波形會產(chǎn)生平頂波，反電動勢的波峰和波谷會產(chǎn)生平頂；削極的角度過大，氣隙磁密的波峰和波谷會有尖頂，反電勢的波峰和和波谷也會有尖頂，正弦性變差。因此削極的最優(yōu)角度θ的區(qū)間為(Ψ/4,Ψ/2)。削極深度不宜過小，削極深度過小會導致削極后齒靴的磁密嚴重飽和，電機鐵損嚴重，性能下降；削極深度過大，會導致槽漏抗增大，最優(yōu)削極深度h為槽口深度h1的50%～200%。

圖2 削極定子沖片圖

圖3為不同削極角度時的齒槽轉矩?？梢钥闯?，削極角度在8°～10°時，齒槽轉矩較小，其中削極角度為9°時，齒槽轉矩最小。

圖3 不同削極角度時發(fā)電電壓和齒槽轉矩

2.3 極弧系數(shù)選擇

極弧系數(shù)描述了在一個極距范圍下實際氣隙磁場的分布情況。通過選擇合理的極弧系數(shù)可以優(yōu)化氣隙磁密的波形和齒槽轉矩。極弧系數(shù)的選擇首先要滿足電機的能力指標要求，再在一定的極弧系數(shù)范圍內選擇最佳的極弧系數(shù)[9]，圖4為不同極弧系數(shù)時的齒槽轉矩。

圖4 不同極弧系數(shù)的齒槽轉矩、發(fā)電電壓

通過圖4可以發(fā)現(xiàn)，極弧系數(shù)的大小可以影響齒槽轉矩的大小和發(fā)電電壓的大小。在極弧系數(shù)為0.85時齒槽轉矩最小，極弧系數(shù)在0.8～0.9之間發(fā)電電壓變化不大，綜合考慮電機的性能和電機的噪聲，最優(yōu)極弧系數(shù)在0.82～0.87之間。

2.4 磁鐵牌號選擇

燒結釹鐵硼的剩磁一般在1.1～1.4 T，通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，當使用剩磁Br為1.1～1.4 T的燒結釹鐵硼時，定子齒部的空載磁密Bo明顯高于我們平時的設計值1.5 T左右，定子齒部磁密飽和，當帶上負載后，齒部的磁密會更加飽和，造成電機鐵損高，發(fā)熱嚴重，因此燒結釹鐵硼不適合這款電機的設計。

圖5 定子空載齒部磁密

不同牌號粘結釹鐵硼的磁性能和抗退磁性能以及工作溫度不同，粘結釹鐵硼現(xiàn)在的剩磁最高，可以做到0.83 T，但其矯頑力很低，抗退磁能力很差。綜合考慮，選擇牌號為GPM-12H這款磁鐵，這款磁鐵的剩磁相對較高，為0.74～0.8 T，內稟矯頑力為760～880 kA/m，抗退退磁能力也相對較高。若牌號再高一檔，內稟矯頑力下降到480～640 kA/m, 矯頑力瞬間降了很多。

3 電機有限元仿真

3.1 電機參數(shù)

對外轉子電機進行初步方案設計，在初步方案的基礎上降低磁鐵牌號、加厚轉子軛部，并對極弧系數(shù)進行優(yōu)化，對定子齒部進行了削極處理，確定了最終方案，表2為最終方案的電機參數(shù)。

表2 外轉子電機參數(shù)

3.2 有限元仿真結果

優(yōu)化后的外轉子電機發(fā)電電壓波形如圖6所示，外轉子電機發(fā)電電壓諧波分析如圖7所示。

圖6 外轉子電機發(fā)電電壓波形

圖7 外轉子發(fā)電電壓諧波含量

優(yōu)化后的外轉子電機負載特性如表3所示，轉矩波形如圖8所示。

圖8 制冷標況負載轉矩波形

表3 制冷標況電機負載特性

4 實驗設備改造

根據(jù)外轉子電機的特殊結構，結合現(xiàn)有實驗臺的安裝結構，對轉子軸和定子套筒進行了氣隙可調的結構設計。通過對實驗夾具的設計，完成了外轉子參數(shù)實驗、特性實驗平臺的搭建，圖9為搭建完成的電機特性實驗平臺。

5 實驗驗證

5.1 空載實驗

外轉子電機與批量電機發(fā)電電壓波形如圖10所示。

(a) 外轉子發(fā)電電壓波形

通過對比發(fā)現(xiàn)，外轉子電機的反電動勢波形正弦性優(yōu)于批量內轉子電機，外轉子電機反電勢的諧波含量為0.38%，遠遠小于批量內轉子電機的5.92%，因此，推測電機的噪聲將會很小。

5.2 電機參數(shù)實驗

由于磁鐵安裝方式屬于表貼式，相當于隱極式電機，因此d,q軸電感較接近，通過圖11可以發(fā)現(xiàn)d,q軸電感相差0.1～0.2 mH。

圖11 電機d,q軸電感

5.3 電機特性實驗

(1) 效率曲線

外轉子電機扭矩效率曲線和轉速效率曲線如圖12所示。由圖12可見，扭矩在2～3 N·m下，外轉子電機效率最高，轉速在3 000～3 500 r/min下效率最高，其中在工況2.5 N·m，3 000 r/min時效率達到最大。

圖12 外轉子電機扭矩效率曲線

(2) 損耗曲線

外轉子電機損耗仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)如圖13、圖14所示，通過分析圖13、圖14可以發(fā)現(xiàn)，外轉子電機實驗發(fā)電電壓比仿真電壓低了5 V，實驗負載電流比仿真負載電流大了4.5 A，導致實驗負載銅損比仿真銅損增大。為了降低銅損，提高電機效率，后續(xù)還需提高發(fā)電電壓。

圖13 銅損曲線

圖14 鐵損曲線

6 結 語

本文對外轉子電機的發(fā)展現(xiàn)狀、技術優(yōu)勢以及外轉子電機在壓縮機上的應用現(xiàn)狀做了分析，在此基礎上進行了外轉子壓縮機電機的方案設計，并對電機定子齒軛比、齒靴、磁鐵厚度、極弧系數(shù)等進行了一系列優(yōu)化，使得影響電機噪聲的發(fā)電電壓諧波、齒槽轉矩和轉矩脈動降到最低，最后進行了樣機試制、實驗平臺搭建以及樣機實驗驗證。