吸尘器中高效永磁通用电机的研究

刘 伟 刘万振 Joonsik. Choi 林江波

（乐金电子（天津）电器有限公司，天津 300402）

随着人们生活水平的不断提高，吸尘器越来越多的走入人们的家庭，极大方便了人们的日常生活，成为家庭必备的生活家电之一。做为吸尘器的核心部件，电机日益受到厂家的重视，成为产品竞争力的体现。吸尘器对电机的转速要求很高，一般在20000～30000r/min，通常采用通用电机。该电机转速高，体积小，重量轻，调速方便，但也存在一些问题：电机的效率低，转矩波动大，振动噪音大。随着“绿色环保、节能高效”观念的深入，市场需求高质量、高能效的产品。因此，本文提出了一种新结构的高效永磁通用电机。

1 永磁通用电机工作原理及有限元分析

1.1 工作原理

高效永磁通用电机，即在通用电机的基础上，定子附加永磁磁极，以增大气隙磁密，减小励磁电流，借以提高电机的效率。电机结构的对比如图 1所示，永磁通用电机在定子磁极顶部插入了永磁磁极用以产生主极磁通。电机通入直流电流，在定子中产生固定磁场，转子利用碳刷和换向器引入电流，以保证转子受力方向不变，持续旋转。

图1 电机结构图

1.2 有限元分析

针对一台 500W 的永磁通用电机，利用 Ansoft Maxwell软件进行有限元分析，仿真计算电机的相关性能。由于永磁磁极的引入，会使电机在效率上有所提高，但同时也对电机其他性能造成了影响，为了保证电机的正常运行，必须把这些方面的影响降到最低。

电机转速高达29000r/min，所带负载为风扇。风扇的负载转矩与转速近似为二次方的关系，转速对电机的运行工况影响很大。为了运行的平稳性，要求电机的转矩波动尽可能小。电机的输出转矩曲线如图 2所示，从图中可以看出转矩波动很大且存在负转矩。

图2 输出转矩曲线

由于永磁磁极和转子槽的相互作用，转矩中存在齿槽转矩，齿槽转矩的曲线如图3所示。齿槽转矩波形正负半周对称，对输出转矩有效值没有影响，但会引起转矩波动。将输出转矩曲线进行分解，分离出的转矩波动分量与齿槽转矩进行对比，如图4所示，可以看出它们的变化波形基本一致，因此，齿槽转矩是引起电机转矩波动的主要因素，必须加以削弱。

1.3 负转矩分析

从图2中，可以看出输出转矩中存在负转矩，负转矩是由于永磁磁极引入所产生的，它将减小电机的输出转矩和效率，必须加以消除。当电机正常运行时，电源电压us达到幅值Umax的电路图如图5所示，电路电压方程为

图3 齿槽转矩曲线

图4 转矩波动分量与齿槽转矩的对比

图5 us=Umax时的等效电路

当电源电压us过零时，电机的转速几乎不变，永磁磁场产生的反电动势要高于电源电压，如图 6所示。此时，电机运行在发电机状态，电磁转矩为制动转矩，即为负转矩。负转矩会减小电机的有效输出转矩，使电机效率下降。另外，需要特别注意，此时反电动势将直接加到整流二极管上，使二极管的寿命缩短。

图6 us=0时的等效电路

2 齿槽转矩和负转矩的削弱

为了减小齿槽转矩，消除负转矩，进一步提高电机效率，通过改变永磁磁极的位置，使其远离气隙。利用Ansoft Maxwell软件，对不同结构形式的电机模型进行有限元分析，经过对比优化后的电机结构如图7所示，引入永磁磁通支路，加入气隙以减小漏磁通。

图7 优化后电机结构图

电机运行时，当定子电流i1为零时，磁路中只有永磁磁极产生的磁通，磁通大部分都经过支路闭合，如图8所示。电枢绕组没有交链主磁通，不能产生转矩，因此，输出转矩中没有负转矩成分存在，达到了消除负转矩的目的。当定子电流i1达到幅值Imax时，磁通分布如图9所示，支路的磁密很低，轭部磁密较高，要适量加厚轭部宽度，防止轭部磁密过高。

图8 i1=0时，磁通分布图

图9 i1=Imax时，磁通分布图

电机输出转矩的波形如图10所示，从图中可以看出输出转矩中没有负转矩成分，转矩波动也被极大的削弱了，优化的电机满足了设计要求。电机效率随转速变化的曲线如图 11所示，当电机运行在29000r/min时，达到最高效率71.28%。电机输出转矩随转速变化的曲线如图12所示。

图10 输出转矩曲线

图11 效率随转速变化曲线

图12 输出转矩随转速变化曲线

3 实验结果及分析

为了验证有限元仿真得到的结论，加工两台500W 的永磁通用电机样机，采用初始和优化后两种结构，进行电机吸入功率实验，实验台如图 13所示。利用不同孔径的通风孔，来测量不同工作点电机的性能参数。所测效率为电机和风扇的整体效率，通过分离出的已知风扇效率，即可得到样机的效率，这种间接测量的方法可以十分方便快速的得到电机的效率。

图13 吸入功率实验台

表1为优化样机实验数据与仿真数据的对比，从中可以看出所得结果基本一致，仿真结果存在一定误差，这是因为在仿真计算时，电刷与换向器的接触电阻很难精确赋值，但这不影响在电机参数优化计算中的定性分析，所得结论可以信赖。表2为样机初始结构与优化结构的实验数据对比，可以看出优化后电机的效率有所提高，达到了预期的结果。

表1 实验数据与仿真数据对比

表2 初始结构与优化结构数据对比

4 结论

（1）齿槽转矩是永磁通用电机转矩波动的主要原因，为了减小转矩波动，可使永磁磁极远离气隙。

（2）永磁磁极的引入会产生负转矩，负转矩会减小电机的有效输出转矩，降低效率，可以通过引入永磁磁通支路有效消除。

（3）本文提出的新结构永磁通用电机可以有效减小转矩波动和负转矩，提高电机效率，达到72.97%。

（4）为了得到高能效的产品，不只要提高电机本体的效率，还要注重电机与风扇的匹配。

[1]唐任远等.现代永磁电机理论与设计.北京:机械工业出版社,1997.

[2]王秀和等.永磁电机.北京:中国电力出版社,2007.

[3]陈阳生,林友仰,陶志鹏. 无刷直流电机力矩的解析计算. 中国电机工程学报,1995,15(4):253-260.

[4]魏先林,付求涯. 基于 MATLAB解析计算无刷直流电动机的齿槽转矩.微特电机,2005,1(7):15-20.