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微特電機論文:滾筒洗衣機用直驅(qū)式無刷直流電機性價比分析
 
 
滾筒洗衣機用直驅(qū)式無刷直流電機性價比分析
    李勇,陳影,史慶夫,劉彥彬,陸永平
    (哈爾濱工業(yè)人學,黑龍江哈爾濱150001)
    摘要:  隨著生活水平的提高,低噪音的無刷直流電機直接驅(qū)動系統(tǒng)在高檔家電中的應用越來越多。文章基于無刷直流電機本身的特點,分析了在高檔滾筒洗衣機中應用的無刷直流電機直接驅(qū)動系統(tǒng)的特點和要求。針對不同的結構進行了磁場設計和性價比分析,最后給出了****方案。
    關鍵詞:無刷直流電機;IPM;直接驅(qū)動:滾筒洗衣機
  0引言
    隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民生活水平的提高,以洗衣機、電冰箱等為主的家電已經(jīng)成為各家庭的基本生活用品。現(xiàn)在,人們對家電的節(jié)能和環(huán)保化趨勢的要求也越來越迫切,性能優(yōu)異、節(jié)能環(huán)保的綠色家電越來越受青睞。作為綠色家電驅(qū)動系統(tǒng)的主力,無刷直流電機直接驅(qū)動系統(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)動洗衣機,即DD洗衣機(Direct Driving)在運行過程不僅能夠?qū)崿F(xiàn)低速大力矩驅(qū)動和高速輕載驅(qū)動,還能自動完成洗滌與脫水狀態(tài)的切換。結構相對簡單的直接驅(qū)動式滾筒洗衣機,因為它在洗滌和脫水的時候滾筒都在旋轉(zhuǎn),因而不存在采用離合器的問題。但這種洗衣機主要是偏置負載,對驅(qū)動電機的要求較高。與傳統(tǒng)洗農(nóng)機用電機相比,無刷直流電機采用永磁體建立勵磁磁場,具有結構簡單、調(diào)速性能好,低噪音,效率高、可靠性高等優(yōu)點。近年來,隨著永磁材料性能的提高和價格的降低,使得采用無刷直流電機作為滾筒洗衣機的驅(qū)動電機具有廣泛的發(fā)展前景。
    本文根據(jù)同一設計指標,設計了五種類型的無刷直流電動機。使用ANSOFT軟件研究五種電機的磁場分布規(guī)律,通過對它們的磁場特性、主要參數(shù)、材料、成本、性價比進行了對比分析,最后得出了個****方案,即采用內(nèi)轉(zhuǎn)子IPM切向式鐵氧體磁鋼方案的電機具有****的性能價格比,這種設計它在高檔全自動滾筒洗衣機設計中應該具有廣泛的應用前景。
  1滾筒洗衣機對直接驅(qū)動系統(tǒng)的要求
    按照結構,洗衣機可以分為波輪式、攪拌式和滾筒式三大類。過去幾十年中,在國內(nèi),波輪洗衣機占的份額最多,也******國人的使用習慣,但在歐美等發(fā)達國家,滾筒式由于對衣物的損傷最小,是********的。近年來,國外陸續(xù)推出了很多規(guī)格的高檔全自動滾筒洗衣機,采用低噪音無刷直流電機直接驅(qū)動,****的價格在人民幣1萬元以上,不但可以設定各種工作模式,還可以自動實現(xiàn)衣物的干燥和熨平,對使用者確實極為便利。
  滾筒洗衣機由于其結構和運行的特殊性,對直驅(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)滾筒洗衣機沒有波輪洗衣機中的減速離合器,所以更適合于采用直接驅(qū)動方式。
(2)對驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速性能要求更高,調(diào)速比更大。波輪洗農(nóng)機的洗滌/脫水典型速度是160/800 r/min,而滾筒洗衣機對應的是50/1100 r/min,帶有干衣功能的則會更高,在1200r/min以上。
    (3)低速時的轉(zhuǎn)矩裕度要大。由于滾筒是水平放置的,洗滌時含水的衣服會隨著滾筒的滾動形成偏載,衣物還會從滾筒頂部摔下形成沖擊負載,這就要求驅(qū)動系統(tǒng)要有足夠的轉(zhuǎn)矩。
    (4)驅(qū)動電機裝配形式比較靈活。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,只有分裝式比較適合。
    (5)驅(qū)動系統(tǒng)價格稍高些對整機影響不大,岡為與波輪式洗農(nóng)機相比,滾筒洗衣機本身就是高端消費品。
由上述分析可見,在滾筒洗衣機中采用低噪音高性能的無刷直流電機直接驅(qū)動系統(tǒng)是最適合的。目前國外已經(jīng)有多款成熟產(chǎn)品,日本韓國公司的最多,如夏普、東芝、LG等。幾種應用于洗衣機直接驅(qū)動的無刷直流電機如圖l~3所示。
 
 
2直驅(qū)式無刷直流電機的磁場特點
    按照繞組中的電流波形,無刷直流電機可以分為方波電流驅(qū)動方式和正弦波電流驅(qū)動方式,后者又叫做交流永磁同步電機。采用正弦波驅(qū)動時,繞組的反電勢波形一定是正弦的,因此電機的定位力矩會較小。采用正弦波驅(qū)動后,電機的力矩波動電會很小,電機系統(tǒng)運行平穩(wěn),噪音低。因此正弦波驅(qū)動方式的交流永磁同步電機更適宜于在高檔白色家電中使用。
按照轉(zhuǎn)子結構,無刷直流電機分為內(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。對于高檔滾筒洗衣機來說,****轉(zhuǎn)速可能會在l200r/min以上,而且滾筒的驅(qū)動是靠外軸伸,因此采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結構更有利些。
從磁場的分布來看,無刷直流電機有表面式磁鋼sPM和嵌入式磁鋼IPM兩種。sPM結構相對來說比較簡單,電機的特性主要依賴于磁鋼的特性,但磁極數(shù)太少時漏磁較大。當磁鋼厚度達到一定程度后,還可以采用一種特殊的’Halbach結構,使氣隙磁密幅值提高,波形正弦化。普通IPM結構一般采用徑向磁鋼方案,當轉(zhuǎn)子磁極數(shù)很多時磁路也存在問題。但IPM結構的無刷直流電機定子繞組電感較大,更適宜于弱磁控制以提高轉(zhuǎn)速范圍。近年來還出現(xiàn)了切向磁鋼結構的IPM設計,由于有聚磁效應,更適宜于應用磁性能較低的磁性材料如鐵氧體,也具有很好的市場競爭力。幾種磁路結構的示意圖如圖4所示。
 
 
3磁場計算及方案比較
在所研制的系統(tǒng)中,需要達到的主要性能指標是:
1)對應洗滌狀態(tài),轉(zhuǎn)速50 r/min,轉(zhuǎn)矩20 N·m;2)對應脫水狀態(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。針對同一設計指標,采取的設計方案及磁場計算結果如下。
3. 1 sPM釹鐵硼方案
這是最常用的表貼式徑向磁場設計方案,內(nèi)轉(zhuǎn)子結構,磁鋼厚度3.5 mm,轉(zhuǎn)子軛厚5 mm,Y1=l集中式繞組。磁場計算得到氣隙磁密和線反電勢波形如圖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設計,內(nèi)轉(zhuǎn)子結構,磁鋼厚度9mm,轉(zhuǎn)子軛厚3mm,Y1=l集中式繞組。磁場計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比,設計了鐵氧體磁鋼的Halbach結構,磁鋼厚度也是9 mm,轉(zhuǎn)子軛厚2.5 mm,Y1=l集中式繞組。磁場計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結構時,都要采用徑向磁鋼結構。設計中轉(zhuǎn)子磁極數(shù)為4,v型結構,定子槽數(shù)30,Y1=7雙層疊繞組。磁場計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,也設計了切向鐵氧體磁鋼IPM結構,磁鋼厚度13 mm,Y1=l集中式繞組。磁場計算得到氣隙磁密和線反電勢波形如圖9所示。
 
 
4方案分析比較及結論
    根據(jù)仿真計算結果,處理分析后得到幾種方案的數(shù)據(jù)對比。表1為磁場特性的對比,表2為主要參數(shù)的對比,表3為主要材料、總體成本及性價比的對比。
 
 
由表1可以看出,相同結構時采用釹鐵硼材料可以保證很高的氣隙磁密。采用Halbach結構,可以提高氣隙磁密約1/4,非?捎^。而且,只有通過Halbach結構和切向IPM這兩種結構才能使氣隙磁密數(shù)值大于剩磁數(shù)值。
從額定點電流密度來看,方案2不能滿足運行要求。而從弱磁控制性能上看,方案5無疑是****的。
從主要材料來看,方案4由于磁極數(shù)少導致定子鐵心軛部厚,繞組端部長,轉(zhuǎn)子也是沖片結構,所以造價****。相比較而言,方案5是****的,其次是方案3,但由于HaIbach結構的磁鋼加工、充磁等工藝比較麻煩,所以總體看來應該是IPM切向磁鋼鐵氧體方案****。
綜上所述,通過對同一約束條件下五種電機的磁場特性、主要參數(shù)、主要材料、總體成本及性價比的對比分析,采用IPM切向式鐵氧體磁鋼方案應該具有****的性能價格比。其結構的特殊性,使它在作為全自動滾筒洗衣機的直接驅(qū)動場合具有一定的優(yōu)勢。這也許是在家電這樣的對價格比較敏感的領域中,無刷直流電機直接驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。
 
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