| 滾筒洗衣機(jī)用直驅(qū)式無刷直流電機(jī)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(xué)，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(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)在高檔家電中的應(yīng)用越來越多。文章基于無刷直流電機(jī)本身的特點，分析了在高檔滾筒洗衣機(jī)中應(yīng)用的無刷直流電機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)的特點和要求。針對不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了磁場設(shè)計和性價比分析，最后給出了****方案。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；IPM；直接驅(qū)動：滾筒洗衣機(jī)
0引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(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。現(xiàn)在，人們對家電的節(jié)能和環(huán)�；厔莸囊笠苍絹碓狡惹�，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(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)的正朝著多功能、高效節(jié)能和環(huán)保化等方面發(fā)展。
直接驅(qū)動洗衣機(jī)，即DD洗衣機(jī)(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(jié)構(gòu)相對簡單的直接驅(qū)動式滾筒洗衣機(jī)，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(jī)主要是偏置負(fù)載，對驅(qū)動電機(jī)的要求較高。與傳統(tǒng)洗農(nóng)機(jī)用電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)采用永磁體建立勵磁磁場，具有結(jié)構(gòu)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(jī)作為滾筒洗衣機(jī)的驅(qū)動電機(jī)具有廣泛的發(fā)展前景。
本文根據(jù)同一設(shè)計指標(biāo)，設(shè)計了五種類型的無刷直流電動機(jī)。使用ANSOFT軟件研究五種電機(jī)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(jìn)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(jī)具有****的性能價格比，這種設(shè)計它在高檔全自動滾筒洗衣機(jī)設(shè)計中應(yīng)該具有廣泛的應(yīng)用前景。
1滾筒洗衣機(jī)對直接驅(qū)動系統(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。過去幾十年中，在國內(nèi)，波輪洗衣機(jī)占的份額最多，也******國人的使用習(xí)慣，但在歐美等發(fā)達(dá)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(jī)，采用低噪音無刷直流電機(jī)直接驅(qū)動，****的價格在人民幣1萬元以上，不但可以設(shè)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(jī)由于其結(jié)構(gòu)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(jī)沒有波輪洗衣機(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(jī)的洗滌／脫水典型速度是160／800 r／min,而滾筒洗衣機(jī)對應(yīng)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(fù)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(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)動系統(tǒng)價格稍高些對整機(jī)影響不大，岡為與波輪式洗農(nóng)機(jī)相比，滾筒洗衣機(jī)本身就是高端消費品。
由上述分析可見，在滾筒洗衣機(jī)中采用低噪音高性能的無刷直流電機(jī)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(yīng)用于洗衣機(jī)直接驅(qū)動的無刷直流電機(jī)如圖l～3所示。
2直驅(qū)式無刷直流電機(jī)的磁場特點
按照繞組中的電流波形，無刷直流電機(jī)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(jī)。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(jī)的定位力矩會較小。采用正弦波驅(qū)動后，電機(jī)的力矩波動電會很小，電機(jī)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(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。對于高檔滾筒洗衣機(jī)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(jié)構(gòu)更有利些。
從磁場的分布來看，無刷直流電機(jī)有表面式磁鋼sPM和嵌入式磁鋼IPM兩種。sPM結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單，電機(jī)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(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)很多時磁路也存在問題。但I(xiàn)PM結(jié)構(gòu)的無刷直流電機(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。近年來還出現(xiàn)了切向磁鋼結(jié)構(gòu)的IPM設(shè)計，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，也具有很好的市場競爭力。幾種磁路結(jié)構(gòu)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(dá)到的主要性能指標(biāo)是：
1)對應(yīng)洗滌狀態(tài)，轉(zhuǎn)速50 r／min，轉(zhuǎn)矩20 N·m；2)對應(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。針對同一設(shè)計指標(biāo)，采取的設(shè)計方案及磁場計算結(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設(shè)計方案，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(shè)計，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(shè)計了鐵氧體磁鋼的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(jié)構(gòu)時，都要采用徑向磁鋼結(jié)構(gòu)。設(shè)計中轉(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(shè)計了切向鐵氧體磁鋼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(jié)論
根據(jù)仿真計算結(jié)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(jié)構(gòu)時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�？捎^。而且，只有通過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(dǎo)致定子鐵心軛部厚，繞組端部長，轉(zhuǎn)子也是沖片結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的磁鋼加工、充磁等工藝比較麻煩，所以總體看來應(yīng)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(jī)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(yīng)該具有****的性能價格比。其結(jié)構(gòu)的特殊性，使它在作為全自動滾筒洗衣機(jī)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(lǐng)域中，無刷直流電機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。 |
