高效節(jié)能型電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)

【摘" 要】高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)是在電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中的關(guān)鍵研究方向之一。隨著能源資源的日益緊缺和環(huán)境保護(hù)的要求，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)已成為重要任務(wù)。文章主要介紹一些常見(jiàn)的高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。分別對(duì)電動(dòng)機(jī)鐵損耗、銅損耗、機(jī)械損耗、驅(qū)動(dòng)電路損耗產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并有效地采取改進(jìn)方法，進(jìn)行不同方案的對(duì)比試驗(yàn)和驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】高效；電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)技術(shù)

中圖分類號(hào)：U463.23" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）08-0039-04

Design Technology of High-efficiency and Energy-saving Motor

WANG Aixian

（Jiangsu Chaoli Electric Appliance Co.，Ltd.，Research Institute of Technology，Zhenjiang" 212321，China）

【Abstract】The energy-efficient motor design technology is one of the key research directions in the field of motor. With the increasing shortage of energy resources and the requirements of environmental protection，the development and design of energy-efficient motors has become an important task. This paper mainly introduces some common energy-efficient motor design techniques. The causes of motor iron loss，copper loss，mechanical loss and drive circuit loss are analyzed respectively，and the comparative test and verification of different schemes are taken effectively.

【Key words】high efficiency；electric motor；design technology

作者簡(jiǎn)介

王愛(ài)仙（1974—），女，高級(jí)工程師，主要從事汽車有刷、無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化管理研究工作。

1" 引言

高效節(jié)能電機(jī)的應(yīng)用前景廣闊，與各行業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、建筑設(shè)備等領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)性能要求很高，高效節(jié)能電機(jī)可以滿足這些需求，并以低能耗的特點(diǎn)在這些領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

然而，還有一些挑戰(zhàn)需要克服。首先是制造成本問(wèn)題，高效節(jié)能電機(jī)的制造過(guò)程較為復(fù)雜，導(dǎo)致制造成本較高。其次是技術(shù)推廣問(wèn)題，目前高效節(jié)能電機(jī)的技術(shù)還處于研發(fā)階段需要大規(guī)模的技術(shù)推廣和應(yīng)用示范，以提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

總之，高效節(jié)能電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造是當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的重要方向[1]，通過(guò)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念和制造技術(shù)，可以大幅提高電機(jī)的工作效率并降低能耗，為解決能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題作出貢獻(xiàn)。盡管還面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的推廣，相信高效節(jié)能電機(jī)在未來(lái)必將發(fā)揮更大的作用。

2" 節(jié)能型電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

在地球有限的資源環(huán)境中，電動(dòng)機(jī)所消耗的電能約占電網(wǎng)總?cè)萘康?0%，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的高效率化，是今后人類社會(huì)所要解決的最重大課題之一。目前，電動(dòng)機(jī)技術(shù)與磁性材料、電子技術(shù)、精密加工技術(shù)及計(jì)算技術(shù)等融合在一起，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為社會(huì)活動(dòng)和產(chǎn)業(yè)活動(dòng)中不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備。電動(dòng)機(jī)技術(shù)將與上述高新技術(shù)的發(fā)展同步，電動(dòng)機(jī)的高效率化與資源利用最大化技術(shù)必將與時(shí)俱進(jìn)[2]。

設(shè)電動(dòng)機(jī)的輸出功率為P，總損耗為W1，則電動(dòng)機(jī)的效率為：

η=[P/（P+W1）]

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的高效率，需要提高電動(dòng)機(jī)的輸出功率并減小電動(dòng)機(jī)的損耗。以永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，其各種損耗的分類如圖1所示?？梢钥闯?，由于沒(méi)有了電刷和換向器，也就不存在電刷損耗，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比又不存在轉(zhuǎn)子銅損耗，因此，電動(dòng)機(jī)的損耗明顯降低，這是一種最適合高效率化的電動(dòng)機(jī)。

另外，電動(dòng)機(jī)的效率不單純決定于電動(dòng)機(jī)本身，還與其驅(qū)動(dòng)電路及控制方法等有重要關(guān)系。因此所謂高效率電動(dòng)機(jī)，則是指電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的綜合效率。近年來(lái)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與變流器組合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種最佳高效率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得了人們的廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)在很多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。可以根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率大小、轉(zhuǎn)速范圍、電動(dòng)機(jī)尺寸、振動(dòng)、噪聲及價(jià)格等使用條件，對(duì)損耗進(jìn)行最優(yōu)化分配，以便適應(yīng)不同用途的要求[3]。因此，極為細(xì)致的最優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分重要。

2.1" 鐵損耗

電動(dòng)機(jī)的鐵損耗包括鐵心的磁滯損耗和渦流損耗。交變磁場(chǎng)作用于具有磁滯特性的磁性材料時(shí)，每當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化一個(gè)周期，則磁化曲線（B-H曲線）就形成了一個(gè)回線（磁滯回線）。所謂磁滯損耗是指單位體積磁性材料所產(chǎn)生的相當(dāng)于飽和磁滯回線面積的能量損耗[4]。

在鐵心中，因磁通變化感應(yīng)渦流而產(chǎn)生的焦耳熱損失稱為渦流損耗。電動(dòng)機(jī)的鐵心常采用表面涂以絕緣漆的薄硅鋼沖片疊壓而成，這正是為了減少鐵心的渦流損耗。

電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需要使用愛(ài)普斯坦試驗(yàn)法或單板磁場(chǎng)試驗(yàn)法測(cè)取鐵心材料的磁化曲線。Steinmetz等提出，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)用計(jì)算式來(lái)代替查表法。然而，目前以變頻器為代表的驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)波形并不是單純的正弦波，電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)幾乎全部是含有高次諧波的波形畸變了的磁場(chǎng)。為此，人們把如下解決方案引進(jìn)了電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)：采用考慮了PWM驅(qū)動(dòng)頻率的鐵損耗計(jì)算；采用考慮了磁性材料方向性的二次元磁特性的損耗測(cè)定方法等。當(dāng)實(shí)際鐵心材料中產(chǎn)生鐵損耗時(shí)，鐵心的溫度會(huì)隨之上升，因此，可以采用紅外測(cè)溫法等，通過(guò)測(cè)定鐵心溫度來(lái)直接測(cè)定鐵損耗。然而在目前階段，想要在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段就準(zhǔn)確推算出鐵損耗尚難以做到，目前可以采用更為完善的仿真方法。

圖2為PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出功率曲線與鐵損耗曲線。用于評(píng)價(jià)的電動(dòng)機(jī)外形為φ42mm，48步，永磁體采用黏結(jié)稀土類永磁體（BHmax=80kJ/m3）。由于采用了高磁能積的永磁材料，電動(dòng)機(jī)在低速范圍內(nèi)有優(yōu)良的特性（轉(zhuǎn)矩大、鐵損耗小）。然而，隨著頻率的提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸降低，頻率為1400pps時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩已減少至低轉(zhuǎn)速（500pps）時(shí)的60%。轉(zhuǎn)矩隨頻率增大而下降的原因是：驅(qū)動(dòng)頻率為1400pps時(shí)，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的鐵損耗已經(jīng)相當(dāng)于輸出轉(zhuǎn)矩的65%，采用高磁能積永磁材料時(shí)，磁軛部的磁通密度較高；在采用鍍鋅鋼板作為磁軛材料時(shí)，在高頻下鐵損耗將會(huì)大幅度增加。

為了改善電動(dòng)機(jī)高速時(shí)的性能，必須降低鐵損耗[5]，為此，制作了電動(dòng)機(jī)B，其磁軛部分的材料改用了硅鋼片（W10/50=3.32W/kg），磁極的永磁體改用了各向異性的鐵氧體永磁。表1對(duì)電動(dòng)機(jī)B與圖2所示的電動(dòng)機(jī)A的鐵損耗進(jìn)行了比較。

從表1可知，對(duì)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行比較，在低轉(zhuǎn)速（500pps）時(shí)，采用黏結(jié)稀土永磁轉(zhuǎn)子的PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出功率較大；而在1400pps下驅(qū)動(dòng)時(shí)，磁軛采用硅鋼片的電動(dòng)機(jī)B的鐵損耗不足電動(dòng)機(jī)A的鐵損耗的一半，電動(dòng)機(jī)B的輸出功率也有了明顯提高。因此，對(duì)于在高速下使用的電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重降低其鐵損耗顯得特別重要。對(duì)于PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)磁軛部分的材料，除硅鋼片以外，還有人提出可以采用軟磁性不銹鋼板的方案。

20世紀(jì)70年代后半期，從空調(diào)器和電冰箱等所用的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始，對(duì)其鐵損耗進(jìn)行了改善，隨后，在OA裝置所用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，也開(kāi)始進(jìn)行了相應(yīng)的工作。特別是要求電動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、小型化的應(yīng)用領(lǐng)域，需要在高磁通密度和高旋轉(zhuǎn)速度下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)具有較高的效率。因此，希望今后能進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出在高飽和磁通密度下具有較低鐵損耗的磁軛材料。

2.2" 銅損耗

對(duì)于三相電動(dòng)機(jī)，當(dāng)三相繞組電阻和各相電流分別為Ra、Rb、Rc和Ia、Ib、Ic，其銅損耗Pc可表示為：

Pc=Ia2Ra+Ib2Rb+Ic2Rc

為了減小電動(dòng)機(jī)的銅損耗，可以采取以下方法：提高繞組的槽滿率；增加電動(dòng)機(jī)的每極磁通量，提高轉(zhuǎn)矩常數(shù)；增加電動(dòng)機(jī)極數(shù)，縮短線圈的端部長(zhǎng)度等。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)尺寸受到限制時(shí)，第1種方法是減少銅損耗的有效手段。對(duì)于具有分割鐵心結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，為了提高槽滿率，普遍采用整距繞組。今后，隨著繞線技術(shù)的提高及采用更薄的絕緣材料等，電動(dòng)機(jī)的槽滿率有望得到進(jìn)一步的提高。對(duì)于第2種方法，當(dāng)每極磁通量增大時(shí)，在電動(dòng)機(jī)銅損耗減小的同時(shí)，將引起鐵損耗的增加。因此，需要進(jìn)行銅損耗與鐵損耗總和的最小化設(shè)計(jì)。對(duì)于第3種方法，在電動(dòng)機(jī)尺寸一定的情況下，將存在一個(gè)最佳的極數(shù)。

圖3為三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以極數(shù)作為參量進(jìn)行銅損耗最小化設(shè)計(jì)的例子。電動(dòng)機(jī)的外形（φ38）及每極磁通量一定時(shí)，在確保電動(dòng)機(jī)輸出功率大于17W的前提下，如果以9極電動(dòng)機(jī)的銅損耗和轉(zhuǎn)矩常數(shù)作為100%，12極和15極電動(dòng)機(jī)與9極電動(dòng)機(jī)比較的直方圖如圖3所示?？梢钥闯觯?2極和15極電動(dòng)機(jī)比9極電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)提高了30%以上。但是，由于15極電動(dòng)機(jī)的槽面積減小了，使繞組的導(dǎo)線線徑減小，繞組電阻增大，從而使電動(dòng)機(jī)的銅損耗與9極電動(dòng)機(jī)相等。由圖3還可知，3種極數(shù)電動(dòng)機(jī)相比時(shí)，12極為最佳極數(shù)。

可見(jiàn)，在減小銅損耗時(shí)，考慮到電動(dòng)機(jī)外形尺寸的限制及輸出條件等用途的最優(yōu)設(shè)計(jì)是十分重要的。

2.3" 機(jī)械損耗

機(jī)械損耗包括因軸承結(jié)構(gòu)而引起的摩擦損耗和黏性損耗，以及因轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的通風(fēng)損耗。

下文以用于VTR焦距調(diào)節(jié)的裝配了螺旋絲杠的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（圖4）的機(jī)械損耗降低為例加以介紹。

螺旋絲杠由設(shè)置在電動(dòng)機(jī)一側(cè)的軸承和螺旋絲杠端部的樹(shù)脂套支撐，樹(shù)脂套預(yù)先壓裝在端部設(shè)置的鋼極支架上。隨著長(zhǎng)時(shí)間錄像型VTR的普及，要求所用電動(dòng)機(jī)為節(jié)電型的高效率電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的尺寸很小時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩也很小，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部約28%輸出轉(zhuǎn)矩的能量作為機(jī)械損耗損失掉了。圖5為機(jī)械損耗中所包含的各種損耗及其所占的比例。

由于軸承支撐著整個(gè)軸徑（圖6），故軸承部分的摩擦損耗較大。在樹(shù)脂套部分（圖7），軸端部分的直徑減?。é?.2mm），使這部分的摩擦損耗明顯減小，為了提高使用壽命并減小摩擦因數(shù)，采用了在樹(shù)脂套內(nèi)部填充潤(rùn)滑脂的結(jié)構(gòu)，使這部分的黏性損耗較大。

為了減小機(jī)械損耗，采取了以下措施：去掉支撐整個(gè)軸徑的軸承部分，軸的支撐采用樹(shù)脂套和電動(dòng)機(jī)后部軸兩端支撐的方式；軸兩端支撐的結(jié)構(gòu)如圖8所示；為了減小黏性阻力，隨著φ2mm的支撐力增大，支撐長(zhǎng)度縮短。通過(guò)以上改善措施，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗可以降低到原來(lái)的1/3，輸出功率也提高了15%，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的目的，如圖9所示。

另外，隨著LBP用多邊形電動(dòng)機(jī)、HDD主軸電動(dòng)機(jī)、光盤主軸電動(dòng)機(jī)等的高轉(zhuǎn)速化，為了減小軸承的機(jī)械損耗和節(jié)省用電，目前，旋轉(zhuǎn)精確度和無(wú)振動(dòng)性優(yōu)良的動(dòng)壓流體軸承的應(yīng)用范圍正在急劇擴(kuò)大。

2.4" 驅(qū)動(dòng)電路損耗

為了切換電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，驅(qū)動(dòng)電路中需要使用電力電子開(kāi)關(guān)器件，因此將產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路損耗，其中包括：通態(tài)電阻損耗；開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通過(guò)程中產(chǎn)生的導(dǎo)通過(guò)程損耗；開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的關(guān)斷過(guò)程損耗；續(xù)流二極管所產(chǎn)生的損耗等。

以使用額定電壓為72V的低速電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電路為例，對(duì)其效率進(jìn)行分析。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖10所示。圖中，當(dāng)變流器電路的開(kāi)關(guān)器件使用MOSFET或IGBT時(shí)，所求得的驅(qū)動(dòng)電路損耗的實(shí)測(cè)值和仿真值如圖11所示。試驗(yàn)測(cè)定時(shí)的負(fù)載條件是電動(dòng)車以時(shí)速50km/h在平地上行走。在驅(qū)動(dòng)電源為直流72V的情況下，MOSFET的通態(tài)損耗不足IGBT的1/3，開(kāi)關(guān)器件的總損耗也只有IGBT的1/2。為了減小驅(qū)動(dòng)電路損耗，本系統(tǒng)變流器電路的開(kāi)關(guān)器件采用了MOSFET。

為了求取最佳的PWM驅(qū)動(dòng)頻率而進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果曲線如圖12所示?？梢钥闯?，PWM驅(qū)動(dòng)頻率增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率提高了，相反，由于變流器電路開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗增加，使驅(qū)動(dòng)電路的效率降低。考慮到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的綜合效率為最大的情況下，實(shí)際的PWM驅(qū)動(dòng)頻率采用了15kHz。

由以上分析可以看出，從整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的綜合效率觀點(diǎn)出發(fā)，努力探索可以發(fā)揮最大效率的驅(qū)動(dòng)條件，是今后電動(dòng)機(jī)節(jié)能工作的一個(gè)重要課題。

目前，在很多領(lǐng)域，雖然控制技術(shù)已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)并沒(méi)有發(fā)揮出最大效率，如何進(jìn)一步挖掘系統(tǒng)的潛在特性，實(shí)現(xiàn)高效率化與節(jié)能化，在這一方面還有很多工作可做。在汽車電動(dòng)窗和天窗中廣泛使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的價(jià)格便宜，用于位置控制和速度控制時(shí)，可以采用極為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制。但是當(dāng)電源頻率較高時(shí)，可能出現(xiàn)失控現(xiàn)象，因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)和大功率是困難的。為了從根本上解決步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失控問(wèn)題，采用霍爾元件檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置，利用這一轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)定子繞組的切換控制，可以做到無(wú)位置延遲的最佳位置勵(lì)磁控制。對(duì)于過(guò)去由于失控現(xiàn)象而不可能運(yùn)行的潛在區(qū)域（圖13），采用這種最佳位置勵(lì)磁控制時(shí)，有可能擴(kuò)展為正常運(yùn)行區(qū)域。

由以上分析可以看出，在電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能領(lǐng)域，采用合適的控制技術(shù)是十分重要的。

3" 結(jié)論

通過(guò)使用先進(jìn)的電磁設(shè)計(jì)方法和工具，可以優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)、線圈布局和磁場(chǎng)分布，從而減少能量損耗并提高電機(jī)效率。選用高性能材料也是設(shè)計(jì)高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)的重要因素。采用低磁損耗和高熱導(dǎo)率的材料減少電機(jī)的銅損耗、鐵損耗來(lái)提高電機(jī)的效率?？刂撇呗缘膬?yōu)化對(duì)于電動(dòng)機(jī)的高效節(jié)能設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。綜上所述，高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)包括優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)、選用高性能材料、控制策略的優(yōu)化以及減少機(jī)械摩擦損耗等。這些技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高電動(dòng)機(jī)的效率，實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)。

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（編輯" 楊凱麟）