林 巖 王震宇 楊小峰 申修沇

（樂(lè)金電子（天津）電器有限公司，天津 300402）

1 引言

隨著國(guó)家能效等級(jí)制度的制定，空調(diào)器市場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻提高。為了適應(yīng)全球能源戰(zhàn)略發(fā)展趨勢(shì)以及滿足消費(fèi)者日益提高的舒適生活環(huán)境要求，各空調(diào)器生產(chǎn)廠家正投入大量人力、物力、財(cái)力，開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品。變頻技術(shù)作為提高空調(diào)器能效的發(fā)展方向之一，不但迎合了國(guó)家節(jié)能減排政策的實(shí)施落實(shí)，更為重要的是變頻空調(diào)器可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速使得房間在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度，并在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)下以較小的溫差波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速、節(jié)能、舒適的控溫效果。作為變頻空調(diào)器的核心部件之一的變頻調(diào)速永磁同步電機(jī)，自然成為了各空調(diào)器生產(chǎn)廠家研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和方向。隨著稀土永磁材料在家電行業(yè)中的廣泛應(yīng)用以及消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量日趨嚴(yán)格的要求，永磁電機(jī)的可靠性分析與驗(yàn)證顯得尤為重要和迫切。 本文以某款變頻空調(diào)用調(diào)速永磁同步電機(jī)的開(kāi)發(fā)為例，介紹了已開(kāi)發(fā)電機(jī)的性能并通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證仿真結(jié)果對(duì)比情況；對(duì)采用的永磁材料在高溫下退磁情況進(jìn)行了模擬實(shí)際工況驗(yàn)證。

2 樣機(jī)開(kāi)發(fā)

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雖然表面粘貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁體易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，使之成為能使電動(dòng)機(jī)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(jī)電機(jī)的特殊工況以及較高的轉(zhuǎn)速（最高轉(zhuǎn)速：9000r/min），開(kāi)發(fā)的電機(jī)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。常用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖2 開(kāi)發(fā)樣機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)原有產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、提高生產(chǎn)工藝性的同時(shí)，調(diào)節(jié)“V”形永磁體之間夾角角度，選擇最優(yōu)值，使得反電動(dòng)勢(shì)波形更接近于正弦，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。開(kāi)發(fā)樣機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用4極36槽結(jié)構(gòu)。在3600轉(zhuǎn)/分情況下，電機(jī)相反電動(dòng)勢(shì)及諧波分析如圖3所示。

圖3 相反電動(dòng)勢(shì)及諧波分析

2.2 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了減低壓縮機(jī)以及整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的噪音與振動(dòng)，除了對(duì)開(kāi)發(fā)電機(jī)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)分析以外，還應(yīng)該盡可能的降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通過(guò)合理電磁設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得氣隙磁密接近于正弦分布[2]。降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法在諸多文獻(xiàn)中有所介紹，但是從所開(kāi)發(fā)電機(jī)結(jié)果來(lái)看，采用非均勻氣隙是效果最為明顯的一種方法。開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)不同隔磁磁橋，不同的非均勻氣隙實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，尋求轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小、效率最高值。文中所提的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)計(jì)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(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、銅損、鐵損、效率的仿真結(jié)果比較；圖4是均勻氣隙與兩種非均勻氣隙的轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果比較。

表1 不同情況下電機(jī)參數(shù)比較

圖4 均勻氣隙與非均勻氣隙轉(zhuǎn)矩比較

2.3 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性分析

由于永磁體的存在，調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)一般是通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流即增加定子直軸去磁電流分量來(lái)達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。合理設(shè)計(jì)交直軸電感參數(shù)可以提高電機(jī)弱磁擴(kuò)速能力?；谡也ㄓ来磐诫姍C(jī)dq軸數(shù)學(xué)模型，可以得到電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩方程[1]

結(jié)合所開(kāi)發(fā)電機(jī)的交直軸電感參數(shù)，以及考慮到電機(jī)的運(yùn)行與逆變器直流側(cè)電壓和最大輸出電流的限制，可以將電機(jī)定子電流矢量軌跡描繪出來(lái)（Vmax=380V），如圖5所示；不同電壓下電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性如圖6所示。

圖5 定子電流矢量軌跡

圖6 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性（V1＞V2＞V3＞V4）

3 信賴(lài)性分析

3.1 燒結(jié)釹鐵硼（NbFeB）材料的熱穩(wěn)定性

為了適應(yīng)家電產(chǎn)品小型化、節(jié)能、高效的發(fā)展趨勢(shì)，燒結(jié)釹鐵硼永磁材料以其高剩磁密度的優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但燒結(jié)NdFeB永磁材料也有其不足之處，就是溫度特性差，具體體現(xiàn)在居里溫度較低、溫度系數(shù)高兩方面。燒結(jié)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(shù)中剩磁 Br的溫度系數(shù) α(Br)可達(dá)-0.13%/K，內(nèi)稟矯頑力HcJ的溫度系數(shù) α(HcJ)達(dá)-(0.6-0.7)%/K。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(shù)造成其磁性能熱穩(wěn)定性較差，高溫下使用時(shí)磁損失較大。一般NdFeB永磁材料在高溫下使用時(shí)，其退磁曲線的下半部分要產(chǎn)生彎曲，如圖7所示。

圖7 退磁曲線與回復(fù)曲線示意圖

3.2 電機(jī)高溫信賴(lài)性驗(yàn)證

為了防止由于永磁材料熱穩(wěn)定性差而產(chǎn)生電機(jī)失磁，必須對(duì)永磁電機(jī)在高溫工況下進(jìn)行信賴(lài)性驗(yàn)證。首先應(yīng)該知道每一種型號(hào)NdFeB永磁材料在最高工作溫度下退磁曲線拐點(diǎn)的位置，使電機(jī)在最不利情況下（包括高溫度、大電流）工作點(diǎn)仍然在永磁體退磁曲線拐點(diǎn)的上方往返變化。當(dāng)電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，永磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br基本不變。目前常用的測(cè)量設(shè)備是磁滯回線測(cè)試儀，測(cè)試過(guò)程中采用的測(cè)量線圈是 J-H線圈，通過(guò)測(cè)出的 J-H曲線來(lái)計(jì)算出B-H曲線。圖8是某一牌號(hào)永磁體測(cè)試曲線，可以得到不同溫度下內(nèi)稟矯頑力曲線和退磁曲線。

圖8 不同溫度下實(shí)測(cè)曲線

為了確保永磁電機(jī)在空調(diào)使用過(guò)程中不發(fā)生失磁，除了了解永磁體的性能參數(shù)以外，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中還對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了更為嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、驗(yàn)證。將原有測(cè)功機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，安裝恒溫箱進(jìn)行不同溫度下的測(cè)試。

首先是將電機(jī)放置于恒溫箱內(nèi)，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(gè)小時(shí)，通過(guò)測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)來(lái)驗(yàn)證永磁體失磁與否。實(shí)測(cè)參數(shù)如表2所示。從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，考慮到永磁材料自身特性，在 200℃以下永磁體不會(huì)發(fā)生失磁。

表2 不同溫度下反電動(dòng)勢(shì)（標(biāo)幺值）

其次是將電機(jī)軸固定于直軸位置，至于恒溫箱內(nèi)，在不同溫度下施加直流去磁電流，結(jié)果如表 3所示。從120oC實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，在直軸電流小于60A情況下，永磁電機(jī)不會(huì)發(fā)生失磁。考慮到逆變器最大電流輸出限制，開(kāi)發(fā)的永磁電機(jī)完全滿足實(shí)際工況下的信賴(lài)性要求。

表3 120℃時(shí)不同去磁電流下反電動(dòng)勢(shì)（標(biāo)幺值）

4 結(jié)論

本文以之前開(kāi)發(fā)的空調(diào)器用正弦波調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，介紹了電機(jī)參數(shù)計(jì)算以及信賴(lài)性試驗(yàn)的方法。

為使開(kāi)發(fā)樣機(jī)應(yīng)用于規(guī)模生產(chǎn)并投放市場(chǎng)，在規(guī)避目前專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

在保證電機(jī)高效節(jié)能的同時(shí)，對(duì)永磁電機(jī)高溫下可能發(fā)生的失磁問(wèn)題進(jìn)行了模擬工況驗(yàn)證試驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，所開(kāi)發(fā)的變頻電機(jī)性能參數(shù)達(dá)到甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)開(kāi)發(fā)要求。

[1]唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[2]王秀和. 永磁電機(jī)[M]. 北京∶中國(guó)電力出版社,2007.

[3]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13560-2000∶燒結(jié)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.