| 滾筒洗衣機(jī)用直驅(qū)式無(wú)刷直流電機(jī)性?xún)r(jià)比分析
李勇，陳影，史慶夫，劉彥彬，陸永平
(哈爾濱工業(yè)人學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要： 隨著生活水平的提高，低噪音的無(wú)刷直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在高檔家電中的應(yīng)用越來(lái)越多。文章基于無(wú)刷直流電機(jī)本身的特點(diǎn)，分析了在高檔滾筒洗衣機(jī)中應(yīng)用的無(wú)刷直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求。針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和性?xún)r(jià)比分析，最后給出了****方案。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；IPM；直接驅(qū)動(dòng)：滾筒洗衣機(jī)
0引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，以洗衣機(jī)、電冰箱等為主的家電已經(jīng)成為各家庭的基本生活用品�，F(xiàn)在，人們對(duì)家電的節(jié)能和環(huán)�；厔�(shì)的要求也越來(lái)越迫切，性能優(yōu)異、節(jié)能環(huán)保的綠色家電越來(lái)越受青睞。作為綠色家電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主力，無(wú)刷直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正朝著多功能、高效節(jié)能和環(huán)�；确矫姘l(fā)展。
直接驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)，即DD洗衣機(jī)(Direct Driving)在運(yùn)行過(guò)程不僅能夠?qū)崿F(xiàn)低速大力矩驅(qū)動(dòng)和高速輕載驅(qū)動(dòng)，還能自動(dòng)完成洗滌與脫水狀態(tài)的切換。結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的直接驅(qū)動(dòng)式滾筒洗衣機(jī)，因?yàn)樗谙礈旌兔撍臅r(shí)候滾筒都在旋轉(zhuǎn)，因而不存在采用離合器的問(wèn)題。但這種洗衣機(jī)主要是偏置負(fù)載，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求較高。與傳統(tǒng)洗農(nóng)機(jī)用電機(jī)相比，無(wú)刷直流電機(jī)采用永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好，低噪音，效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著永磁材料性能的提高和價(jià)格的降低，使得采用無(wú)刷直流電機(jī)作為滾筒洗衣機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有廣泛的發(fā)展前景。
本文根據(jù)同一設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了五種類(lèi)型的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。使用ANSOFT軟件研究五種電機(jī)的磁場(chǎng)分布規(guī)律，通過(guò)對(duì)它們的磁場(chǎng)特性、主要參數(shù)、材料、成本、性?xún)r(jià)比進(jìn)行了對(duì)比分析，最后得出了個(gè)****方案，即采用內(nèi)轉(zhuǎn)子IPM切向式鐵氧體磁鋼方案的電機(jī)具有****的性能價(jià)格比，這種設(shè)計(jì)它在高檔全自動(dòng)滾筒洗衣機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)該具有廣泛的應(yīng)用前景。
1滾筒洗衣機(jī)對(duì)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求
按照結(jié)構(gòu)，洗衣機(jī)可以分為波輪式、攪拌式和滾筒式三大類(lèi)。過(guò)去幾十年中，在國(guó)內(nèi)，波輪洗衣機(jī)占的份額最多，也******國(guó)人的使用習(xí)慣，但在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，滾筒式由于對(duì)衣物的損傷最小，是********的。近年來(lái)，國(guó)外陸續(xù)推出了很多規(guī)格的高檔全自動(dòng)滾筒洗衣機(jī)，采用低噪音無(wú)刷直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，****的價(jià)格在人民幣1萬(wàn)元以上，不但可以設(shè)定各種工作模式，還可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)衣物的干燥和熨平，對(duì)使用者確實(shí)極為便利。
滾筒洗衣機(jī)由于其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的特殊性，對(duì)直驅(qū)系統(tǒng)的要求和波輪系統(tǒng)也有所不同，主要體現(xiàn)在：
(1)滾筒洗衣機(jī)沒(méi)有波輪洗衣機(jī)中的減速離合器，所以更適合于采用直接驅(qū)動(dòng)方式。
(2)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速性能要求更高，調(diào)速比更大。波輪洗農(nóng)機(jī)的洗滌／脫水典型速度是160／800 r／min,而滾筒洗衣機(jī)對(duì)應(yīng)的是50／1100 r／min，帶有干衣功能的則會(huì)更高，在1200r／min以上。
(3)低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩裕度要大。由于滾筒是水平放置的，洗滌時(shí)含水的衣服會(huì)隨著滾筒的滾動(dòng)形成偏載，衣物還會(huì)從滾筒頂部摔下形成沖擊負(fù)載，這就要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要有足夠的轉(zhuǎn)矩。
(4)驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝配形式比較靈活。由于滾筒本身有比較穩(wěn)定的軸系，所以電機(jī)采用內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子、組裝式、分裝式都可以，不像波輪洗衣機(jī)，只有分裝式比較適合。
(5)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格稍高些對(duì)整機(jī)影響不大，岡為與波輪式洗農(nóng)機(jī)相比，滾筒洗衣機(jī)本身就是高端消費(fèi)品。
由上述分析可見(jiàn)，在滾筒洗衣機(jī)中采用低噪音高性能的無(wú)刷直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是最適合的。目前國(guó)外已經(jīng)有多款成熟產(chǎn)品，日本韓國(guó)公司的最多，如夏普、東芝、LG等。幾種應(yīng)用于洗衣機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電機(jī)如圖l～3所示。
2直驅(qū)式無(wú)刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)特點(diǎn)
按照繞組中的電流波形，無(wú)刷直流電機(jī)可以分為方波電流驅(qū)動(dòng)方式和正弦波電流驅(qū)動(dòng)方式，后者又叫做交流永磁同步電機(jī)。采用正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組的反電勢(shì)波形一定是正弦的，因此電機(jī)的定位力矩會(huì)較小。采用正弦波驅(qū)動(dòng)后，電機(jī)的力矩波動(dòng)電會(huì)很小，電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低。因此正弦波驅(qū)動(dòng)方式的交流永磁同步電機(jī)更適宜于在高檔白色家電中使用。
按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，無(wú)刷直流電機(jī)分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種。如果轉(zhuǎn)速較低轉(zhuǎn)矩較大，那么外轉(zhuǎn)子方式比較適合。對(duì)于高檔滾筒洗衣機(jī)來(lái)說(shuō)，****轉(zhuǎn)速可能會(huì)在l200r／min以上，而且滾筒的驅(qū)動(dòng)是靠外軸伸，因此采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更有利些。
從磁場(chǎng)的分布來(lái)看，無(wú)刷直流電機(jī)有表面式磁鋼sPM和嵌入式磁鋼IPM兩種。sPM結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，電機(jī)的特性主要依賴(lài)于磁鋼的特性，但磁極數(shù)太少時(shí)漏磁較大。當(dāng)磁鋼厚度達(dá)到一定程度后，還可以采用一種特殊的’Halbach結(jié)構(gòu)，使氣隙磁密幅值提高，波形正弦化。普通IPM結(jié)構(gòu)一般采用徑向磁鋼方案，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極數(shù)很多時(shí)磁路也存在問(wèn)題。但I(xiàn)PM結(jié)構(gòu)的無(wú)刷直流電機(jī)定子繞組電感較大，更適宜于弱磁控制以提高轉(zhuǎn)速范圍。近年來(lái)還出現(xiàn)了切向磁鋼結(jié)構(gòu)的IPM設(shè)計(jì)，由于有聚磁效應(yīng)，更適宜于應(yīng)用磁性能較低的磁性材料如鐵氧體，也具有很好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。幾種磁路結(jié)構(gòu)的示意圖如圖4所示。
3磁場(chǎng)計(jì)算及方案比較
在所研制的系統(tǒng)中，需要達(dá)到的主要性能指標(biāo)是：
1)對(duì)應(yīng)洗滌狀態(tài)，轉(zhuǎn)速50 r／min，轉(zhuǎn)矩20 N·m；2)對(duì)應(yīng)脫水狀態(tài)，轉(zhuǎn)速l100 r/min，轉(zhuǎn)矩2N·m；3)洗滌****力矩26N·m；4)脫水****力矩3. 5N·m。針對(duì)同一設(shè)計(jì)指標(biāo)，采取的設(shè)計(jì)方案及磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如下。
3. 1 sPM釹鐵硼方案
這是最常用的表貼式徑向磁場(chǎng)設(shè)計(jì)方案，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁鋼厚度3．5 mm，轉(zhuǎn)子軛厚5 mm，Y1=l集中式繞組。磁場(chǎng)計(jì)算得到氣隙磁密和線(xiàn)反電勢(shì)波形如圖5所示。下面所有方案中沖片材料一律選用Dw470—50。3 2 sPM鐵氧體方案
為了降低成本，采用了鐵氧體磁鋼，也是表貼式徑向磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，磁鋼厚度9mm，轉(zhuǎn)子軛厚3mm，Y1=l集中式繞組。磁場(chǎng)計(jì)算得到氣隙磁密和定子軛磁密波形如圖6所示。
3 3 sPMHalbach鐵氧體方案
為了和第二種方案對(duì)比，設(shè)計(jì)了鐵氧體磁鋼的Halbach結(jié)構(gòu)，磁鋼厚度也是9 mm，轉(zhuǎn)子軛厚2．5 mm，Y1=l集中式繞組。磁場(chǎng)計(jì)算得到氣隙磁密和轉(zhuǎn)子軛磁密波形如圖7所示。
3 4 IPM徑向磁鋼釹鐵硼方案
采用釹鐵硼磁鋼作為IPM結(jié)構(gòu)時(shí)，都要采用徑向磁鋼結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)子磁極數(shù)為4，v型結(jié)構(gòu)，定子槽數(shù)30，Y1=7雙層疊繞組。磁場(chǎng)計(jì)算得到氣隙磁密和定子齒磁密波形如圖8所示。
3 5 IPM切向磁鋼鐵氧體方案
同樣為了降低成本，也設(shè)計(jì)了切向鐵氧體磁鋼IPM結(jié)構(gòu)，磁鋼厚度13 mm，Y1=l集中式繞組。磁場(chǎng)計(jì)算得到氣隙磁密和線(xiàn)反電勢(shì)波形如圖9所示。
4方案分析比較及結(jié)論
根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，處理分析后得到幾種方案的數(shù)據(jù)對(duì)比。表1為磁場(chǎng)特性的對(duì)比，表2為主要參數(shù)的對(duì)比，表3為主要材料、總體成本及性?xún)r(jià)比的對(duì)比。
由表1可以看出，相同結(jié)構(gòu)時(shí)采用釹鐵硼材料可以保證很高的氣隙磁密。采用Halbach結(jié)構(gòu)，可以提高氣隙磁密約1/4，非常可觀(guān)。而且，只有通過(guò)Halbach結(jié)構(gòu)和切向IPM這兩種結(jié)構(gòu)才能使氣隙磁密數(shù)值大于剩磁數(shù)值。
從額定點(diǎn)電流密度來(lái)看，方案2不能滿(mǎn)足運(yùn)行要求。而從弱磁控制性能上看，方案5無(wú)疑是****的。
從主要材料來(lái)看，方案4由于磁極數(shù)少導(dǎo)致定子鐵心軛部厚，繞組端部長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子也是沖片結(jié)構(gòu)，所以造價(jià)****。相比較而言，方案5是****的，其次是方案3，但由于HaIbach結(jié)構(gòu)的磁鋼加工、充磁等工藝比較麻煩，所以總體看來(lái)應(yīng)該是IPM切向磁鋼鐵氧體方案****。
綜上所述，通過(guò)對(duì)同一約束條件下五種電機(jī)的磁場(chǎng)特性、主要參數(shù)、主要材料、總體成本及性?xún)r(jià)比的對(duì)比分析，采用IPM切向式鐵氧體磁鋼方案應(yīng)該具有****的性能價(jià)格比。其結(jié)構(gòu)的特殊性，使它在作為全自動(dòng)滾筒洗衣機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合具有一定的優(yōu)勢(shì)。這也許是在家電這樣的對(duì)價(jià)格比較敏感的領(lǐng)域中，無(wú)刷直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。
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