吸塵器中高效永磁通用電機的研究

劉 偉 劉萬振 Joonsik. Choi 林江波

（樂金電子（天津）電器有限公司，天津 300402）

隨著人們生活水平的不斷提高，吸塵器越來越多的走入人們的家庭，極大方便了人們的日常生活，成為家庭必備的生活家電之一。做為吸塵器的核心部件，電機日益受到廠家的重視，成為產品競爭力的體現。吸塵器對電機的轉速要求很高，一般在20000～30000r/min，通常采用通用電機。該電機轉速高，體積小，重量輕，調速方便，但也存在一些問題：電機的效率低，轉矩波動大，振動噪音大。隨著“綠色環保、節能高效”觀念的深入，市場需求高質量、高能效的產品。因此，本文提出了一種新結構的高效永磁通用電機。

1 永磁通用電機工作原理及有限元分析

1.1 工作原理

高效永磁通用電機，即在通用電機的基礎上，定子附加永磁磁極，以增大氣隙磁密，減小勵磁電流，借以提高電機的效率。電機結構的對比如圖 1所示，永磁通用電機在定子磁極頂部插入了永磁磁極用以產生主極磁通。電機通入直流電流，在定子中產生固定磁場，轉子利用碳刷和換向器引入電流，以保證轉子受力方向不變，持續旋轉。

圖1 電機結構圖

1.2 有限元分析

針對一臺 500W 的永磁通用電機，利用 Ansoft Maxwell軟件進行有限元分析，仿真計算電機的相關性能。由于永磁磁極的引入，會使電機在效率上有所提高，但同時也對電機其他性能造成了影響，為了保證電機的正常運行，必須把這些方面的影響降到最低。

電機轉速高達29000r/min，所帶負載為風扇。風扇的負載轉矩與轉速近似為二次方的關系，轉速對電機的運行工況影響很大。為了運行的平穩性，要求電機的轉矩波動盡可能小。電機的輸出轉矩曲線如圖 2所示，從圖中可以看出轉矩波動很大且存在負轉矩。

圖2 輸出轉矩曲線

由于永磁磁極和轉子槽的相互作用，轉矩中存在齒槽轉矩，齒槽轉矩的曲線如圖3所示。齒槽轉矩波形正負半周對稱，對輸出轉矩有效值沒有影響，但會引起轉矩波動。將輸出轉矩曲線進行分解，分離出的轉矩波動分量與齒槽轉矩進行對比，如圖4所示，可以看出它們的變化波形基本一致，因此，齒槽轉矩是引起電機轉矩波動的主要因素，必須加以削弱。

1.3 負轉矩分析

從圖2中，可以看出輸出轉矩中存在負轉矩，負轉矩是由于永磁磁極引入所產生的，它將減小電機的輸出轉矩和效率，必須加以消除。當電機正常運行時，電源電壓us達到幅值Umax的電路圖如圖5所示，電路電壓方程為

圖3 齒槽轉矩曲線

圖4 轉矩波動分量與齒槽轉矩的對比

圖5 us=Umax時的等效電路

當電源電壓us過零時，電機的轉速幾乎不變，永磁磁場產生的反電動勢要高于電源電壓，如圖 6所示。此時，電機運行在發電機狀態，電磁轉矩為制動轉矩，即為負轉矩。負轉矩會減小電機的有效輸出轉矩，使電機效率下降。另外，需要特別注意，此時反電動勢將直接加到整流二極管上，使二極管的壽命縮短。

圖6 us=0時的等效電路

2 齒槽轉矩和負轉矩的削弱

為了減小齒槽轉矩，消除負轉矩，進一步提高電機效率，通過改變永磁磁極的位置，使其遠離氣隙。利用Ansoft Maxwell軟件，對不同結構形式的電機模型進行有限元分析，經過對比優化后的電機結構如圖7所示，引入永磁磁通支路，加入氣隙以減小漏磁通。

圖7 優化后電機結構圖

電機運行時，當定子電流i1為零時，磁路中只有永磁磁極產生的磁通，磁通大部分都經過支路閉合，如圖8所示。電樞繞組沒有交鏈主磁通，不能產生轉矩，因此，輸出轉矩中沒有負轉矩成分存在，達到了消除負轉矩的目的。當定子電流i1達到幅值Imax時，磁通分布如圖9所示，支路的磁密很低，軛部磁密較高，要適量加厚軛部寬度，防止軛部磁密過高。

圖8 i1=0時，磁通分布圖

圖9 i1=Imax時，磁通分布圖

電機輸出轉矩的波形如圖10所示，從圖中可以看出輸出轉矩中沒有負轉矩成分，轉矩波動也被極大的削弱了，優化的電機滿足了設計要求。電機效率隨轉速變化的曲線如圖 11所示，當電機運行在29000r/min時，達到最高效率71.28%。電機輸出轉矩隨轉速變化的曲線如圖12所示。

圖10 輸出轉矩曲線

圖11 效率隨轉速變化曲線

圖12 輸出轉矩隨轉速變化曲線

3 實驗結果及分析

為了驗證有限元仿真得到的結論，加工兩臺500W 的永磁通用電機樣機，采用初始和優化后兩種結構，進行電機吸入功率實驗，實驗臺如圖 13所示。利用不同孔徑的通風孔，來測量不同工作點電機的性能參數。所測效率為電機和風扇的整體效率，通過分離出的已知風扇效率，即可得到樣機的效率，這種間接測量的方法可以十分方便快速的得到電機的效率。

圖13 吸入功率實驗臺

表1為優化樣機實驗數據與仿真數據的對比，從中可以看出所得結果基本一致，仿真結果存在一定誤差，這是因為在仿真計算時，電刷與換向器的接觸電阻很難精確賦值，但這不影響在電機參數優化計算中的定性分析，所得結論可以信賴。表2為樣機初始結構與優化結構的實驗數據對比，可以看出優化后電機的效率有所提高，達到了預期的結果。

表1 實驗數據與仿真數據對比

表2 初始結構與優化結構數據對比

4 結論

（1）齒槽轉矩是永磁通用電機轉矩波動的主要原因，為了減小轉矩波動，可使永磁磁極遠離氣隙。

（2）永磁磁極的引入會產生負轉矩，負轉矩會減小電機的有效輸出轉矩，降低效率，可以通過引入永磁磁通支路有效消除。

（3）本文提出的新結構永磁通用電機可以有效減小轉矩波動和負轉矩，提高電機效率，達到72.97%。

（4）為了得到高能效的產品，不只要提高電機本體的效率，還要注重電機與風扇的匹配。

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