永磁材料對無刷直流電機性能影響的研究

1、604中國科技論文在線 Sciencepaper Online第4卷 第8期 2009年8月永磁材料對無刷直流電機性能影響的研究吳世華，曾慶初，宋立偉，崔淑梅（哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，哈爾濱 150001）摘 要：永磁材料是影響無刷直流電機性能最重要的因素之一。以實際開發(fā)的風機用無刷直流電機為例，分別討論了采用釹鐵硼永磁與鐵氧體永磁情況下，電機的電磁性能、效率、噪聲與生產(chǎn)成本問題。研究結(jié)果表明，釹鐵硼永磁無刷直流電機具有較高的力矩性能和效率，即使考慮釹鐵硼較高的材料成本，工程應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)先選擇釹鐵硼永磁。但對噪聲要求比較苛刻的應(yīng)用場合，鐵氧體永磁方案具有優(yōu)勢。 關(guān)鍵詞：電機；無刷直流

2、電機；釹鐵硼；鐵氧體中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：16737180(2009)0806044Influence of permanent magnet material on the performance ofbrushless DC motorWu Shihua，Zeng Qingchu，Song Liwei，Cui Shumei(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)Abstract: Permanent

3、 magnet material is one of the most important influencing factors for the performance of brushless DC motor. In this paper, a brushless DC motor for wind-fan applications is taken as an example for the investigation. Its electromagnetic performance, operation efficiency, noise, and material cost are

4、 discussed with respect to Nd-Fe-B magnet and ferrite magnet respectively. The results show that Nd-Fe-B brushless DC motor has higher torque performance and operation efficiency. Despite that the price of Nd-Fe-B magnet is much higher than ferrite magnet, Nd-Fe-B magnet is the priority choice for e

5、ngineering applications. However, when there are very strict demands of noise, ferrite magnet has more advantages.Key words: electrical machine；brushless DC motor；Nd-Fe-B magnet；ferrite magnet0 引 言無刷直流電機采用永磁材料勵磁，采用電子器件換向，因此具有效率高、質(zhì)量輕、控制簡單、可靠性好等顯著優(yōu)勢，已經(jīng)在計算機設(shè)備、機械設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、汽車產(chǎn)業(yè)和家用電器等領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用，作者簡介：吳世華(1981

6、 )，男，博士研究生 通信聯(lián)系人：崔淑梅，教授，cuism正在逐漸替代傳統(tǒng)的直流電機、單相及三相感應(yīng)電機等驅(qū)動方式。從我國的情況來看，無刷直流電機雖已開始取得應(yīng)用，但普及程度還遠遠不夠。以家用電器領(lǐng)域為例，2007年單相感應(yīng)電機仍占我國家電電機市場容量的80%1，而日本已經(jīng)有95%以上的空調(diào)采用無刷直流電機2。原第4卷 第8期 2009年8月永磁材料對無刷直流電機性能影響的研究605因是多方面的，其中一個重要的因素是相對成熟的無刷直流電機理論與技術(shù)還無法非常有效地轉(zhuǎn)化到實際工程應(yīng)用中，并形成具有競爭力的產(chǎn)品。從產(chǎn)品角度來講，最關(guān)心的是電機的電磁性能、效率、噪聲與生產(chǎn)成本，因此有必要深入研究不同

7、情況對這4方面性能的影響。對于無刷直流電機，永磁材料是最重要的影響因素之一。因此，本文將以實際開發(fā)的空調(diào)風機用釹鐵硼永磁和鐵氧體永磁無刷直流電機為例，從這幾個方面探討永磁材料對無刷直流電機性能影響。1 風機無刷直流電機系統(tǒng)1.1 系統(tǒng)要求本文研究的空調(diào)風機用無刷直流電機如圖1所示，技術(shù)要求如表1所示，需要實現(xiàn)的基本功能是在2251 005 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)驅(qū)動如圖1所示的風扇。雖然根據(jù)系統(tǒng)的要求，只需要電機滿足圖2所示的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線(風機類負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成比例關(guān)系)，即一定轉(zhuǎn)速下，電機需要輸出的轉(zhuǎn)矩是一定的，但為了使研究更具普遍性，下面將討論整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)最大輸出轉(zhuǎn)矩下的整個區(qū)域

8、內(nèi)的性能。圖1 空調(diào)風扇電機的運行環(huán)境Fig. 1Operation environment of air-condition fan motor圖2 風機負載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線 Fig. 2 Torque-speed curve of fan load表1 空調(diào)風扇電機的技術(shù)要求 Table 1 Specifications of air-condition fan motor 項目 要求 額定功率/W 750 輸入電壓(AC)/V 220 調(diào)速范圍/(r·min-1)2251 005 工作制 連續(xù)工作 繞組連接Y接驅(qū)動方式 PWM變頻調(diào)速，兩相導(dǎo)通六狀態(tài)1.2 設(shè)計方案根據(jù)1.

9、1所述的要求，采用已有的無刷直流電機算例3-4及有限元分析軟件，分別對釹鐵硼方案和鐵氧體方案進行了設(shè)計，釹鐵硼方案(方案1)如圖3(a)所示，鐵氧體方案分為定轉(zhuǎn)子鐵心等長(方案2)與不等長(方案3)2種，如圖3(b)、(c)所示。為了便于對比研究，設(shè)計方案的極數(shù)、槽數(shù)、定子內(nèi)徑、定子外徑、反電勢都相同，如表2所示。實際制造了方案1和方案2兩臺樣機，并進行了實驗。(a) 方案1 (b) 方案2 (c) 方案3圖3 設(shè)計方案結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Stuctrues of different motor design表2 方案的設(shè)計參數(shù)Table 2 Parameters of different m

10、otor design 項目方案1方案2方案3極數(shù) 8 8 8 槽數(shù) 12 12 12 定子外徑/mm 165 165 165 定子內(nèi)徑/mm 105 105 105 定子軸向長度/mm 30 40 40 定子鐵心材料 50W310 50W310 50W310轉(zhuǎn)子軸向長度/mm 304050轉(zhuǎn)子鐵心材料 10#鋼 10#鋼 10#鋼永磁材料 N35SH Y30H-2 Y30H-2 剩磁/T 1.17 0.412 0.412矯頑力/(kA·m-1) 868 290 290 平均氣隙磁密/T 0.62 0.22 0.24 每相串聯(lián)匝數(shù) 280 640 460606 中國科技論文在線 Sc

11、iencepaper Online第4卷 第8期 2009年8月通過這樣的設(shè)計可以明顯發(fā)現(xiàn)，由于釹鐵硼永磁的剩磁高，方案1的匝數(shù)比其他2個方案要小得多，而且定子、轉(zhuǎn)子鐵心長度也最短。方案2由于轉(zhuǎn)子鐵心加長，增大了定子鐵心的有效長度，匝數(shù)也相對較少。2.2 效率圖5(a)為方案1在整個工作區(qū)間內(nèi)的效率Map圖，圖5(b)給出了方案1電機實測的Map圖，以驗證計算的正確性。圖6給出了方案3電機效率Map圖的計算結(jié)果。2 永磁材料對無刷直流電機性能影響的對比研究2.1 電磁性能3個方案的電流轉(zhuǎn)矩特性計算值及測試值如圖4所示，最大電流限定在7 A。因為電樞反應(yīng)會引起氣隙磁密波形的畸變和部分磁路飽和，從

12、而使有效磁通減少，限制電機出力5；而電感的存在可能引起電機機械特性變軟，電感越大趨勢越明顯6。因此，在設(shè)計時分別對考慮和不考慮電樞反應(yīng)和電感2種情況進行了計算。圖4 3個方案的轉(zhuǎn)矩電流特性對比Fig. 4 Torque-current characteristics comparion between differentmotor design從圖4中可以看到，方案1由于采用了釹鐵硼永磁，因此氣隙磁密高，繞組匝數(shù)少，電感小，電樞反應(yīng)不明顯，設(shè)計時是否考慮電樞反應(yīng)與電感對計算結(jié)果影響不大，而且能夠保證計算精度。方案2與方案3由于采用鐵氧體永磁，因此氣隙磁密低，繞組匝數(shù)多，電感大，電樞反應(yīng)明顯，是

13、否考慮電樞反應(yīng)與電感對計算結(jié)果影響很大。對于方案2，雖然反電勢的設(shè)計值與其他2個方案相同，但在相同的電流下，輸出轉(zhuǎn)矩明顯偏小，電流越大偏差越大，以至于電機的最大轉(zhuǎn)矩只有5.5 N·m。而方案3由于改進了設(shè)計，繞組匝數(shù)比方案2小很多，因此，力矩性能得到了明顯改善。(a) 計算Map圖(b) 實測Map圖圖5 方案1的效率Map圖 Fig. 5Efficiency Map diagrams of design 1圖6 方案3計算Map圖Fig. 6 Efficiency Map diagrams of design 3 from calculation由于電機的工作轉(zhuǎn)速較低，因此繞組銅耗

14、占總損耗第4卷 第8期 2009年8月永磁材料對無刷直流電機性能影響的研究607的比重最大。3個方案中，方案1的匝數(shù)最少，電阻最小，因此銅耗最低，效率也最高。從圖6可以看到，在整個工作區(qū)域內(nèi)，方案3的高效區(qū)整體偏下，這是由于匝數(shù)多，電阻大，當負載轉(zhuǎn)矩增大，輸入電流增加時，銅耗急劇增加的結(jié)果。從圖4中可以看出，方案2并沒有達到圖2所要求的轉(zhuǎn)矩，因此沒有給出方案2的效率曲線，但是可以預(yù)見，方案2的效率將比方案3差。 2.3 成本表3列出了設(shè)計方案的材料成本，由于釹鐵硼永磁材料目前的價格還比較昂貴，方案1的材料成本要比2個鐵氧體方案高60%。需要注意的是，釹鐵硼電機由于效率高，運行過程中節(jié)約的能源可

15、以在一定程度上抵消成本上的劣勢。另外，方案1還未到最佳設(shè)計，還有繼續(xù)優(yōu)化降低成本的空間。 2.4 噪聲由馬克斯韋定律可知7，產(chǎn)生噪聲的徑向力波Pn(,t)滿足如下關(guān)系：2P(,t)=b(,t)， (1) n20式中：b(,t)為氣隙磁密；0為空氣的磁導(dǎo)率。顯然，釹鐵硼電機由于氣隙磁密高，將產(chǎn)生比較大的噪聲。表3 3個方案的材料成本對比Table 3 Material cost comparison of different motor design元件方案1質(zhì)量/kg成本/元質(zhì)量/kg方案2成本/元質(zhì)量/kg方案3成本/元定子鐵心 2.98 28.9 3.97 38.5 3.97 38.5 轉(zhuǎn)

16、子鐵心 1.32 5.3 1.76 7.0 2.2 8.8 繞組銅線 0.86 22.4 1.97 51.2 1.37 35.6 永磁體 0.37 104 0.51 7.7 1.06 15.9 材料總成本 160.6 104.4 98.8注：參考價格50W310為9.7元/kg；10#鋼為4元/kg；漆包線為26元/kg；N35SH為280元/kg；Y30H-2為15元/kg。3 結(jié) 論釹鐵硼永磁無刷電機的力矩性能和效率優(yōu)于鐵氧體永磁無刷電機。與鐵氧體電機相比，釹鐵硼電機的材料成本高，但考慮釹鐵硼電機的效率優(yōu)勢，可以一定程度抵消成本劣勢。對噪聲要求苛刻的場合，可優(yōu)先選擇鐵氧體永磁方案，但需要采

17、用轉(zhuǎn)子鐵心長于定子鐵心、寬極弧系數(shù)等設(shè)計手段來滿足要求的電磁性能。參考文獻(References)1費仁言，騰飛. 家電電機的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J. 電器, 2006(7): 8-9.Fei Renyan, Teng Fei. Application status and development trend of home appliance motors J. China Appliance, 2006(7): 8-9. (in Chinese)袁海林. 永磁無刷電動機的市場和前景C/第十二屆中國小電機技術(shù)研討會. 上海，2007: 13-23.Yuan Hailin. Market and

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