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(diào)速的高性能要求。外轉(zhuǎn)子永磁電機具有高功率密度、結(jié)構(gòu)緊湊、長壽命和安全可靠的優(yōu)點[1]，但外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電機進(jìn)行深入研究。

近年相關(guān)的電機學(xué)者和電機企業(yè)已對外轉(zhuǎn)子電機進(jìn)行了大量的研究工作[2-4]，早期主要是定速外轉(zhuǎn)子電機，主要應(yīng)用在風(fēng)機上。隨著國家全面提升電機能效水平和促進(jìn)電機產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(yīng)用。伴隨著永磁電機的快速發(fā)展，越來越多的學(xué)者開始對外轉(zhuǎn)子永磁電機展開研究，并將外轉(zhuǎn)子電機應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域。華北電力大學(xué)的王艾萌通過對外轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)能夠提高輸出轉(zhuǎn)矩[5]。同濟(jì)大學(xué)的左曙光對外轉(zhuǎn)子輪轂電機電磁噪聲測試方法及特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速對電磁噪聲影響較大，負(fù)載扭矩對其影響較小[6]。三洋電器股份有限責(zé)任公司對洗衣機用外轉(zhuǎn)子永磁電機進(jìn)行了研究，主要通過不等厚磁鐵的設(shè)計，優(yōu)化氣隙磁密，提高輸出轉(zhuǎn)矩[7]。

在冰箱壓縮機上的應(yīng)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(zhuǎn)子冰箱壓縮機上做了較多研究，并且思科普公司已有相關(guān)產(chǎn)品。該款產(chǎn)品相比其他冰箱壓縮機，結(jié)構(gòu)明顯緊湊，體積大大減小，且通過相關(guān)資料的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該款壓縮機的噪聲振動也較小，從而結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子電動壓縮機，并將該款外轉(zhuǎn)子電動壓縮機應(yīng)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(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動慣量大、高效低噪聲的優(yōu)勢應(yīng)用于空調(diào)壓縮機中，滿足消費者對空調(diào)壓縮機高效率、低噪聲、穩(wěn)定運行、變頻調(diào)速的高性能要求，進(jìn)行了外轉(zhuǎn)子壓縮機電機的方案設(shè)計，并對電機定子齒軛比、齒靴、磁鐵厚度、極弧系數(shù)等進(jìn)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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動降到最低，最后進(jìn)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(zhuǎn)子電機

本文計劃對壓縮機用外轉(zhuǎn)子電機進(jìn)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(zhuǎn)速范圍：1 000～8 000 r/min。

2 電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

對于具有外轉(zhuǎn)子電機的壓縮機，外轉(zhuǎn)子電機在追求高輸出轉(zhuǎn)矩的同時，電機的損耗尤其是鐵耗會快速增加導(dǎo)致電機效率下降。轉(zhuǎn)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(jìn)而影響電機的鐵耗大小，如圖1所示。

圖1 外轉(zhuǎn)子電機沖片圖

磁鐵厚度與轉(zhuǎn)子軛部厚度的比例一般為0.38≤m/r≤0.6。r越大，轉(zhuǎn)子軛部越容易承受磁通量，從而外轉(zhuǎn)子電機的輸出轉(zhuǎn)矩越大，但r增大,會導(dǎo)致外轉(zhuǎn)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(nèi)，轉(zhuǎn)矩有較大的增大趨勢，鐵損增加緩慢。

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩成飽和的趨勢，當(dāng)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(zhuǎn)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(shè)計

現(xiàn)有外轉(zhuǎn)子電機定子齒靴外沿是定子外圓的一部分，導(dǎo)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(shù)選擇對磁鐵的形狀進(jìn)行優(yōu)化，包括不等厚磁鐵，對磁鐵進(jìn)行削極角處理等。但由于技術(shù)原因以及磁鐵的特性，一些復(fù)雜形狀的磁鐵制作加工難度大、成本高，因此本設(shè)計從定子沖片優(yōu)化設(shè)計的角度出發(fā)，通過在定子沖片的齒上進(jìn)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(dǎo)致削極后齒靴的磁密嚴(yán)重飽和，電機鐵損嚴(yán)重，性能下降；削極深度過大，會導(dǎo)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(zhuǎn)矩?？梢钥闯?，削極角度在8°～10°時，齒槽轉(zhuǎn)矩較小，其中削極角度為9°時，齒槽轉(zhuǎn)矩最小。

圖3 不同削極角度時發(fā)電電壓和齒槽轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。極弧系數(shù)的選擇首先要滿足電機的能力指標(biāo)要求，再在一定的極弧系數(shù)范圍內(nèi)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(zhuǎn)矩。

圖4 不同極弧系數(shù)的齒槽轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(dāng)使用剩磁Br為1.1～1.4 T的燒結(jié)釹鐵硼時，定子齒部的空載磁密Bo明顯高于我們平時的設(shè)計值1.5 T左右，定子齒部磁密飽和，當(dāng)帶上負(fù)載后，齒部的磁密會更加飽和，造成電機鐵損高，發(fā)熱嚴(yán)重，因此燒結(jié)釹鐵硼不適合這款電機的設(shè)計。

圖5 定子空載齒部磁密

不同牌號粘結(jié)釹鐵硼的磁性能和抗退磁性能以及工作溫度不同，粘結(jié)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)子電機進(jìn)行初步方案設(shè)計，在初步方案的基礎(chǔ)上降低磁鐵牌號、加厚轉(zhuǎn)子軛部，并對極弧系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對定子齒部進(jìn)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(zhuǎn)子電機參數(shù)

3.2 有限元仿真結(jié)果

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

圖6 外轉(zhuǎn)子電機發(fā)電電壓波形

圖7 外轉(zhuǎn)子發(fā)電電壓諧波含量

優(yōu)化后的外轉(zhuǎn)子電機負(fù)載特性如表3所示，轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。

圖8 制冷標(biāo)況負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形

表3 制冷標(biāo)況電機負(fù)載特性

4 實驗設(shè)備改造

根據(jù)外轉(zhuǎn)子電機的特殊結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)有實驗臺的安裝結(jié)構(gòu)，對轉(zhuǎn)子軸和定子套筒進(jìn)行了氣隙可調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過對實驗夾具的設(shè)計，完成了外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電機與批量電機發(fā)電電壓波形如圖10所示。

(a) 外轉(zhuǎn)子發(fā)電電壓波形

通過對比發(fā)現(xiàn)，外轉(zhuǎn)子電機的反電動勢波形正弦性優(yōu)于批量內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，外轉(zhuǎn)子電機反電勢的諧波含量為0.38%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于批量內(nèi)轉(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)子電機扭矩效率曲線和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電機效率最高，轉(zhuǎn)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(dá)到最大。

圖12 外轉(zhuǎn)子電機扭矩效率曲線

(2) 損耗曲線

外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電機實驗發(fā)電電壓比仿真電壓低了5 V，實驗負(fù)載電流比仿真負(fù)載電流大了4.5 A，導(dǎo)致實驗負(fù)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(jié) 語

本文對外轉(zhuǎn)子電機的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)優(yōu)勢以及外轉(zhuǎn)子電機在壓縮機上的應(yīng)用現(xiàn)狀做了分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了外轉(zhuǎn)子壓縮機電機的方案設(shè)計，并對電機定子齒軛比、齒靴、磁鐵厚度、極弧系數(shù)等進(jìn)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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動降到最低，最后進(jìn)行了樣機試制、實驗平臺搭建以及樣機實驗驗證。