空调器用正弦波调速永磁同步电动机的开发与可靠性分析

林 岩 王震宇 杨小峰 申修沇

（乐金电子（天津）电器有限公司，天津 300402）

1 引言

随着国家能效等级制度的制定，空调器市场准入门槛提高。为了适应全球能源战略发展趋势以及满足消费者日益提高的舒适生活环境要求，各空调器生产厂家正投入大量人力、物力、财力，开发新技术、新产品。变频技术作为提高空调器能效的发展方向之一，不但迎合了国家节能减排政策的实施落实，更为重要的是变频空调器可以通过调节压缩机转速使得房间在短时间内达到设定温度，并在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动，实现快速、节能、舒适的控温效果。作为变频空调器的核心部件之一的变频调速永磁同步电机，自然成为了各空调器生产厂家研究开发的重点和方向。随着稀土永磁材料在家电行业中的广泛应用以及消费者对产品质量日趋严格的要求，永磁电机的可靠性分析与验证显得尤为重要和迫切。 本文以某款变频空调用调速永磁同步电机的开发为例，介绍了已开发电机的性能并通过样机实验结果验证仿真结果对比情况；对采用的永磁材料在高温下退磁情况进行了模拟实际工况验证。

2 样机开发

2.1 转子结构设计

虽然表面粘贴式转子结构中的永磁体易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状[1]，但是考虑到变频压缩机电机的特殊工况以及较高的转速（最高转速：9000r/min），开发的电机采用内置式转子结构。常用内置式结构如图1所示。

图1 常用内置式转子结构

图2 开发样机定转子结构

开发过程中，对原有产品进行了优化设计，在简化转子结构、提高生产工艺性的同时，调节“V”形永磁体之间夹角角度，选择最优值，使得反电动势波形更接近于正弦，降低转矩脉动。开发样机定转子结构如图2所示，采用4极36槽结构。在3600转/分情况下，电机相反电动势及谐波分析如图3所示。

图3 相反电动势及谐波分析

2.2 转矩脉动优化设计

为了减低压缩机以及整个空调系统的噪音与振动，除了对开发电机进行机械结构分析以外，还应该尽可能的降低转矩脉动。通过合理电磁设计和转子结构设计，使得气隙磁密接近于正弦分布[2]。降低转矩脉动的方法在诸多文献中有所介绍，但是从所开发电机结果来看，采用非均匀气隙是效果最为明显的一种方法。开发过程中对不同隔磁磁桥，不同的非均匀气隙实现方式进行了仿真验证，寻求转矩脉动最小、效率最高值。文中所提的转矩脉动计算方法如下：

表1 是在不同隔磁磁桥以及非均匀气隙等几种情况下对转矩脉动、铜损、铁损、效率的仿真结果比较；图4是均匀气隙与两种非均匀气隙的转矩仿真结果比较。

表1 不同情况下电机参数比较

图4 均匀气隙与非均匀气隙转矩比较

2.3 转矩-转速特性分析

由于永磁体的存在，调速永磁同步电动机的励磁磁动势一般是通过调节定子电流即增加定子直轴去磁电流分量来达到弱磁扩速的目的。合理设计交直轴电感参数可以提高电机弱磁扩速能力。基于正弦波永磁同步电机dq轴数学模型，可以得到电压、磁链、电磁转矩方程[1]

结合所开发电机的交直轴电感参数，以及考虑到电机的运行与逆变器直流侧电压和最大输出电流的限制，可以将电机定子电流矢量轨迹描绘出来（Vmax=380V），如图5所示；不同电压下电机转矩-转速特性如图6所示。

图5 定子电流矢量轨迹

图6 转矩-转速特性（V1＞V2＞V3＞V4）

3 信赖性分析

3.1 烧结钕铁硼（NbFeB）材料的热稳定性

为了适应家电产品小型化、节能、高效的发展趋势，烧结钕铁硼永磁材料以其高剩磁密度的优点得到了越来越广泛的应用。但烧结NdFeB永磁材料也有其不足之处，就是温度特性差，具体体现在居里温度较低、温度系数高两方面。烧结NdFeB材料的居里温度一般为 310～410℃左右，而铁氧体的居里温度为450℃，钐钴为800～850℃左右，铝镍钴甚至比钐钴还要高些；NdFeB永磁材料温度系数中剩磁 Br的温度系数 α(Br)可达-0.13%/K，内禀矫顽力HcJ的温度系数 α(HcJ)达-(0.6-0.7)%/K。中国国家标准GB/T13560-2000给出α（Br）典型值为-0.12%/K，α(HcJ)为-0.6%/K(25～140℃)[3]，而 IEC 60404-8-1 给出 α(Br)为-(0.1～0.12)%/K，α(HcJ)为-(0.45～0.6)%/K(20～100℃)[4]，较高的温度系数造成其磁性能热稳定性较差，高温下使用时磁损失较大。一般NdFeB永磁材料在高温下使用时，其退磁曲线的下半部分要产生弯曲，如图7所示。

图7 退磁曲线与回复曲线示意图

3.2 电机高温信赖性验证

为了防止由于永磁材料热稳定性差而产生电机失磁，必须对永磁电机在高温工况下进行信赖性验证。首先应该知道每一种型号NdFeB永磁材料在最高工作温度下退磁曲线拐点的位置，使电机在最不利情况下（包括高温度、大电流）工作点仍然在永磁体退磁曲线拐点的上方往返变化。当电机停止运行时，永磁材料的剩余磁感应强度 Br基本不变。目前常用的测量设备是磁滞回线测试仪，测试过程中采用的测量线圈是 J-H线圈，通过测出的 J-H曲线来计算出B-H曲线。图8是某一牌号永磁体测试曲线，可以得到不同温度下内禀矫顽力曲线和退磁曲线。

图8 不同温度下实测曲线

为了确保永磁电机在空调使用过程中不发生失磁，除了了解永磁体的性能参数以外，在开发过程中还对样机进行了更为严格的现场测试、验证。将原有测功机系统进行改进，安装恒温箱进行不同温度下的测试。

首先是将电机放置于恒温箱内，在不施加电流的情况下，将恒温箱温度从120℃升至250℃，并分别在不同的温度下保温两个小时，通过测量反电动势来验证永磁体失磁与否。实测参数如表2所示。从实测结果来看，考虑到永磁材料自身特性，在 200℃以下永磁体不会发生失磁。

表2 不同温度下反电动势（标幺值）

其次是将电机轴固定于直轴位置，至于恒温箱内，在不同温度下施加直流去磁电流，结果如表 3所示。从120oC实测结果来看，在直轴电流小于60A情况下，永磁电机不会发生失磁。考虑到逆变器最大电流输出限制，开发的永磁电机完全满足实际工况下的信赖性要求。

表3 120℃时不同去磁电流下反电动势（标幺值）

4 结论

本文以之前开发的空调器用正弦波调速永磁同步电动机为例，介绍了电机参数计算以及信赖性试验的方法。

为使开发样机应用于规模生产并投放市场，在规避目前专利的基础上，优化电机转子结构设计，降低转矩脉动。

在保证电机高效节能的同时，对永磁电机高温下可能发生的失磁问题进行了模拟工况验证试验。从实验结果来看，所开发的变频电机性能参数达到甚至远远超过开发要求。

[1]唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M].北京∶机械工业出版社,1997.

[2]王秀和. 永磁电机[M]. 北京∶中国电力出版社,2007.

[3]中国国家标准GB/T13560-2000∶烧结钕铁硼永磁材料.

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