陳治宇，黃開勝，田燕飛，陳風(fēng)凱，陳 琳

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣州510006)

0 引 言

單相電容運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于空調(diào)室外機(jī)的散熱風(fēng)機(jī)中，由于散熱風(fēng)機(jī)一般安裝在機(jī)罩殼中，空間通風(fēng)能力有限，故較低效率的異步電動(dòng)機(jī)將會(huì)影響氣流組織和流動(dòng)，導(dǎo)致散熱效果不理想，使得空調(diào)耗電大、出力小，大大降低空調(diào)的能效比，對(duì)建筑節(jié)能節(jié)電指標(biāo)產(chǎn)生不利的影響［1－2］。

而作為高效可靠的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，由于需要控制電路，大大增加了電機(jī)系統(tǒng)的成本，故不利于永磁電機(jī)在散熱風(fēng)機(jī)中的推廣;此外，由于無刷直流電動(dòng)機(jī)具有控制電路板，而抽油煙機(jī)內(nèi)殘留的油漬又是無孔不入，故阻礙了無刷直流電動(dòng)機(jī)在抽油煙機(jī)中的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)價(jià)值工程的需要，本文提出了一種無控制電路的新型單相式自起動(dòng)4槽6極永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)集中了單相電容運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)和永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。

本文首先利用ANSYS/Maxwell有限元仿真軟件建立了這款電機(jī)的三維有限元仿真模型，分析其運(yùn)行原理，對(duì)電機(jī)外電路采用單相電容運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)的電容分相法，無需控制電路，有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自起動(dòng)，最后對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩、反電勢(shì)、氣隙磁密、輸出轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行仿真對(duì)比分析。研究結(jié)果表明:此電機(jī)發(fā)生一相故障后仍能正常工作，運(yùn)行更可靠;無需控制電路，只需副繞組串聯(lián)一個(gè)電容，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自起動(dòng)，大大降低了電機(jī)系統(tǒng)的成本。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)公司現(xiàn)有機(jī)殼的尺寸以及實(shí)際的需要，設(shè)計(jì)的單相自起動(dòng)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)如表1所示。

表1 單相自起動(dòng)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文提出的新型單相式自起動(dòng)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中電機(jī)的定子槽數(shù)為4，轉(zhuǎn)子極數(shù)為6，A為主繞組或者工作繞組，B為副繞組或者起動(dòng)繞組［3－5］。

圖1 4槽6極永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

單相自起動(dòng)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的每個(gè)定子齒上繞有不跨接的集中繞組，4個(gè)線圈分為主、副兩相，徑向相對(duì)的兩個(gè)線圈屬于同一相，其中A－X線圈為主繞組，B－Y線圈為副繞組，并結(jié)合單相電容運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)的電容分相法，在副繞組中串聯(lián)一個(gè)合適的電容，再與主繞組并接于電源，在主、副繞組中通入不同相位的兩相電流時(shí)，形成在空間相隔90°電角度的兩相電流，使內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自起動(dòng)。本文定子上的主、副兩相繞組完全對(duì)稱，當(dāng)兩相繞組接到對(duì)稱電源上時(shí)，將產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的圓形或者近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)和磁場(chǎng)。

2 起動(dòng)電容設(shè)計(jì)

串聯(lián)在副繞組的電容，如果選配不當(dāng)，會(huì)使電機(jī)系統(tǒng)變差或者無法起動(dòng)，片面地增大或者減小電容量，負(fù)序磁場(chǎng)可能加強(qiáng)，使輸出功率減小，性能變壞，磁場(chǎng)也可能會(huì)由圓形或近似圓形變?yōu)闄E圓形，故需對(duì)電容的大小進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使兩相繞組的空間間隔接近90°電角度。圖2為單相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的外電路。

圖2 單相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的外電路圖

串聯(lián)電容的大小決定了主、副繞組中電流在相位上的電角度差，利用ANSYS有限元仿真軟件，分析出副繞組串聯(lián)不同大小的電容時(shí)主、副繞組中兩相電流的電角度差值，如圖3所示，即可推出當(dāng)兩相電流電角度接近90°時(shí)，串聯(lián)電容的大小。

圖3 不同電容量時(shí)主、副繞組電流波形圖

由圖3可知，副相電流幅值隨電容的變化而變化，副繞組串聯(lián)的電容越小，則副相電流幅值越小，為使空間產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)和磁場(chǎng)為圓形或近似圓形，故應(yīng)選取使主、副相電流幅值近似相等的電容。

氣隙磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，每轉(zhuǎn)過一對(duì)磁極，線圈中的電動(dòng)勢(shì)變化一個(gè)周期，電動(dòng)勢(shì)的頻率:

電角頻率:

根據(jù)以上公式可知，電機(jī)的電角頻率為18(°)/ms，故由圖3中主、副繞組電流過零點(diǎn)時(shí)，兩相電流的時(shí)間相位差即可求出電角度。圖4表示不同電容下的兩相電流時(shí)間相位差值。

圖4 不同電容量時(shí)主、副相電流時(shí)間相位差值圖

結(jié)合以上分析得，當(dāng)副繞組串聯(lián)的電容為35 μF時(shí)，主、副相電流幅值近似相等，時(shí)間相位差為4.8 ms，電角度接近90°，即為最佳的串聯(lián)電容量。

3 齒槽轉(zhuǎn)矩的分析

對(duì)于單相自起動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)，齒槽轉(zhuǎn)矩可直接傳給負(fù)載，引起波動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，還會(huì)因齒槽轉(zhuǎn)矩過大，影響電機(jī)的起動(dòng)和正常運(yùn)行［6－7］。利用ANSYS有限元仿真計(jì)算后得到的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖5所示。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

磁場(chǎng)能量取決于電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、永磁體的性能以及定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，故氣隙磁密沿電樞表面的分布可近似表示:

由式(3)可知，轉(zhuǎn)子上開槽相當(dāng)于等效的增大氣隙長度，減小氣隙磁密的幅值，從而可削弱齒槽轉(zhuǎn)矩;此外，也增大了直軸磁路磁阻，減小了外磁路總磁導(dǎo)，導(dǎo)致反電動(dòng)勢(shì)的減小，削弱諧波反電動(dòng)引起的紋波轉(zhuǎn)矩［8－9］。電機(jī)轉(zhuǎn)子開槽模型如圖6所示。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)子開槽、開孔三維結(jié)構(gòu)圖

利用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)轉(zhuǎn)子上開槽與不開槽兩種情形的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對(duì)比仿真分析，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)子開槽與不開槽齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

由圖7對(duì)比可知，轉(zhuǎn)子開槽時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩小于不開槽時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩，有利于抑制電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

4 電機(jī)有限元仿真分析

4.1 反電勢(shì)

利用ANSYS有限元軟件分析得出反電勢(shì)波形如圖8所示。

圖8 電機(jī)反電勢(shì)波形圖

4.2 氣隙磁密

在ANSYS/Maxwell中計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子開槽和不開槽時(shí)，氣隙磁密波形對(duì)比如圖9所示。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)子開槽與不開槽氣隙磁密對(duì)比圖

4.3 輸出轉(zhuǎn)矩

施加220 V電壓時(shí)，考慮電機(jī)起動(dòng)過程的輸出轉(zhuǎn)矩如圖10所示。從圖10可以看出，轉(zhuǎn)子開槽后的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于不開槽時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

由上述對(duì)比分析可知，轉(zhuǎn)子開槽時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也小于不開槽時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，所以采用轉(zhuǎn)子開槽可優(yōu)化單相無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，有利于抑制電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)子開槽與不開槽輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖

5 樣機(jī)試驗(yàn)

給電動(dòng)機(jī)施加220 V電壓，調(diào)速到1 000 r/min時(shí)，用測(cè)功機(jī)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。ANSYS/Maxwell仿真值和樣機(jī)測(cè)試值比較如表2所示。

表2 計(jì)算值和測(cè)試值

從樣機(jī)測(cè)試結(jié)果看，新型的單相自起動(dòng)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，效率相比單相異步電動(dòng)機(jī)有了明顯提高。

當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，發(fā)生一相開路故障，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試值如表3所示。

表3 無故障與一相開路故障的電機(jī)測(cè)試值

從樣機(jī)測(cè)試結(jié)果來看，當(dāng)發(fā)生一相開路故障時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，輸出轉(zhuǎn)矩降低，但由于電機(jī)所帶負(fù)載為小型風(fēng)葉扇，電機(jī)仍能正常工作。

6 結(jié) 語

本文提出一種新型的單相自起動(dòng)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，利用ANSYS有限元仿真軟件建立了這款電機(jī)的三維有限元仿真模型，分析了電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行原理，并對(duì)起動(dòng)電容的選取進(jìn)行了分析與研究。由于單相無刷直流電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大，故本文通過轉(zhuǎn)子開槽來削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的優(yōu)化。研究表明，本新型電機(jī)具有以下特點(diǎn):

(1)無需控制電路，通過起動(dòng)電容實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)，有效節(jié)約了成本;

(2)繼承了無刷直流電動(dòng)機(jī)效率高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，并采用轉(zhuǎn)子開槽，改善了單相無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺點(diǎn);

(3)電機(jī)發(fā)生一相故障后仍能正常工作，運(yùn)行更可靠，有利于在家用電器設(shè)備中的應(yīng)用。

本文分析與設(shè)計(jì)的新型單相自起動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)為工程應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

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