空調器用正弦波調速永磁同步電動機的開發與可靠性分析

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，空調器市場準入門檻提高。為了適應全球能源戰略發展趨勢以及滿足消費者日益提高的舒適生活環境要求，各空調器生產廠家正投入大量人力、物力、財力，開發新技術、新產品。變頻技術作為提高空調器能效的發展方向之一，不但迎合了國家節能減排政策的實施落實，更為重要的是變頻空調器可以通過調節壓縮機轉速使得房間在短時間內達到設定溫度，并在低轉速、低能耗狀態下以較小的溫差波動，實現快速、節能、舒適的控溫效果。作為變頻空調器的核心部件之一的變頻調速永磁同步電機，自然成為了各空調器生產廠家研究開發的重點和方向。隨著稀土永磁材料在家電行業中的廣泛應用以及消費者對產品質量日趨嚴格的要求，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用調速永磁同步電機的開發為例，介紹了已開發電機的性能并通過樣機實驗結果驗證仿真結果對比情況；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

2.1 轉子結構設計

雖然表面粘貼式轉子結構中的永磁體易于實現最優設計，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速（最高轉速：9000r/min），開發的電機采用內置式轉子結構。常用內置式結構如圖1所示。

圖1 常用內置式轉子結構

圖2 開發樣機定轉子結構

開發過程中，對原有產品進行了優化設計，在簡化轉子結構、提高生產工藝性的同時，調節“V”形永磁體之間夾角角度，選擇最優值，使得反電動勢波形更接近于正弦，降低轉矩脈動。開發樣機定轉子結構如圖2所示，采用4極36槽結構。在3600轉/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 轉矩脈動優化設計

為了減低壓縮機以及整個空調系統的噪音與振動，除了對開發電機進行機械結構分析以外，還應該盡可能的降低轉矩脈動。通過合理電磁設計和轉子結構設計，使得氣隙磁密接近于正弦分布[2]。降低轉矩脈動的方法在諸多文獻中有所介紹，但是從所開發電機結果來看，采用非均勻氣隙是效果最為明顯的一種方法。開發過程中對不同隔磁磁橋，不同的非均勻氣隙實現方式進行了仿真驗證，尋求轉矩脈動最小、效率最高值。文中所提的轉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矩脈動、銅損、鐵損、效率的仿真結果比較；圖4是均勻氣隙與兩種非均勻氣隙的轉矩仿真結果比較。

表1 不同情況下電機參數比較

圖4 均勻氣隙與非均勻氣隙轉矩比較

2.3 轉矩-轉速特性分析

由于永磁體的存在，調速永磁同步電動機的勵磁磁動勢一般是通過調節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。合理設計交直軸電感參數可以提高電機弱磁擴速能力。基于正弦波永磁同步電機dq軸數學模型，可以得到電壓、磁鏈、電磁轉矩方程[1]

結合所開發電機的交直軸電感參數，以及考慮到電機的運行與逆變器直流側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；不同電壓下電機轉矩-轉速特性如圖6所示。

圖5 定子電流矢量軌跡

圖6 轉矩-轉速特性（V1＞V2＞V3＞V4）

3 信賴性分析

3.1 燒結釹鐵硼（NbFeB）材料的熱穩定性

為了適應家電產品小型化、節能、高效的發展趨勢，燒結釹鐵硼永磁材料以其高剩磁密度的優點得到了越來越廣泛的應用。但燒結NdFeB永磁材料也有其不足之處，就是溫度特性差，具體體現在居里溫度較低、溫度系數高兩方面。燒結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永磁材料溫度系數中剩磁 Br的溫度系數 α(Br)可達-0.13%/K，內稟矯頑力HcJ的溫度系數 α(HcJ)達-(0.6-0.7)%/K。中國國家標準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]，較高的溫度系數造成其磁性能熱穩定性較差，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生彎曲，如圖7所示。

圖7 退磁曲線與回復曲線示意圖

3.2 電機高溫信賴性驗證

為了防止由于永磁材料熱穩定性差而產生電機失磁，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。當電機停止運行時，永磁材料的剩余磁感應強度 Br基本不變。目前常用的測量設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使用過程中不發生失磁，除了了解永磁體的性能參數以外，在開發過程中還對樣機進行了更為嚴格的現場測試、驗證。將原有測功機系統進行改進，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，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。實測參數如表2所示。從實測結果來看，考慮到永磁材料自身特性，在 200℃以下永磁體不會發生失磁。

表2 不同溫度下反電動勢（標幺值）

其次是將電機軸固定于直軸位置，至于恒溫箱內，在不同溫度下施加直流去磁電流，結果如表 3所示。從120oC實測結果來看，在直軸電流小于60A情況下，永磁電機不會發生失磁。考慮到逆變器最大電流輸出限制，開發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（標幺值）

4 結論

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

為使開發樣機應用于規模生產并投放市場，在規避目前專利的基礎上，優化電機轉子結構設計，降低轉矩脈動。

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

[1]唐任遠. 現代永磁電機理論與設計[M].北京∶機械工業出版社,1997.

[2]王秀和. 永磁電機[M]. 北京∶中國電力出版社,2007.

[3]中國國家標準GB/T13560-2000∶燒結釹鐵硼永磁材料.

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