沈 利 忠

(浙江科寧電機(jī)有限公司 技術(shù)部， 浙江 湖州 313009)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，洗衣機(jī)不斷朝著環(huán)保和智能方向發(fā)展。市場上受歡迎的智能型洗衣機(jī)主要有兩種：一種是波輪式，另一種是滾筒式[1]15 [2]20。兩種智能洗衣機(jī)都是利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)波輪或者滾筒，使衣服在離心力作用下，借助水流和洗滌劑的作用進(jìn)行清洗。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作性能決定了洗衣機(jī)的洗滌性能(如能效等級(jí)、洗凈比等)，洗衣機(jī)的智能化離不開電機(jī)性能的優(yōu)化提升。

傳統(tǒng)洗衣機(jī)電機(jī)采用機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)洗滌和脫水時(shí)的內(nèi)筒轉(zhuǎn)速，但洗衣機(jī)的效率較低、噪聲較大。為了減少上述不足，目前的洗衣機(jī)電機(jī)正在向同步化和直驅(qū)化方向發(fā)展。目前，波輪式洗衣機(jī)主要采用單相感應(yīng)電機(jī)，滾筒式洗衣機(jī)采用的電機(jī)類型較多，包括串激電機(jī)、三相交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)等。所有電機(jī)中，永磁同步電機(jī)的效率最高、噪聲最低，比如已有的艾默生永磁同步電機(jī)，其最高效率能達(dá)到90%。但是，由于該型電機(jī)結(jié)構(gòu)組成中的控制器成本較高，導(dǎo)致其總體成本較高。若其控制器價(jià)格能下降，則該型電機(jī)將在洗衣機(jī)制造中得到廣泛應(yīng)用，甚至可能逐步取代感應(yīng)電機(jī)和串激電機(jī)[3]24。

由上述介紹可知，同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)很明顯。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)一款外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)進(jìn)行研究，建立熱模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證，以探求電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的新方法，縮短電機(jī)開發(fā)時(shí)間，節(jié)約開發(fā)成本。

一、電機(jī)基本參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

(一)初始模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)洗衣機(jī)的性能和尺寸，本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)(以下簡稱電機(jī))如圖1所示(參見圖1)，主要包括殼體1、外轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子磁鋼和轉(zhuǎn)子鐵芯)2、定子鐵芯3。其中，轉(zhuǎn)子鐵芯和電機(jī)外殼注塑成型。電機(jī)中的基本參數(shù)如表1所示(參見表1)。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

表1 電機(jī)的基本參數(shù)

(二)電機(jī)損耗的計(jì)算

在洗衣機(jī)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鋼和三相交變電流之間相互作用，致使電機(jī)內(nèi)部形成變化磁場。變化的磁場作用于轉(zhuǎn)子磁鋼和鐵芯，使其內(nèi)部產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗。電流流經(jīng)繞組鋁線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱損耗。根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)，可分別計(jì)算電機(jī)在額定工況下的定子鐵芯損耗、繞組損耗和轉(zhuǎn)子磁鋼渦流損耗。

鐵芯損耗的計(jì)算較為復(fù)雜，本實(shí)驗(yàn)采用Berttotti鐵芯損耗分離模型進(jìn)行計(jì)算[4]8-9：

P=Ph+Pc+Pε=KhfB2+Kcf2B2+Kεf1.5B1.5

(1)

式中：，P為鐵芯損耗，W；Ph為磁滯損耗，W；Pc為渦流損耗，W；Pε為異常損耗，W；f為交變電流頻率，Hz；B為磁密幅值，T；Kh為磁滯損耗系數(shù)；Kc為渦流損耗系數(shù)；Kε為異常損耗系數(shù)。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電流流經(jīng)繞組鋁線產(chǎn)生的損耗，可按下式計(jì)算：

PAl=m∑(I2R)

(2)

式中：PAl為繞組損耗，W；m為電流相數(shù)；I為電流有效值，A；R為繞組平均電阻值，Ω。

轉(zhuǎn)子磁鋼渦流損耗相對(duì)較小，體積為V的渦流損耗值可按下式計(jì)算[5]1438-1444：

(3)

式中：Peav為轉(zhuǎn)子磁鋼渦流損耗，W；J為渦流密度，A/m3；J*為共軛渦流密度，A/m3；σ為轉(zhuǎn)子磁鋼的電導(dǎo)率，Ω-1。

由于轉(zhuǎn)子鐵芯損耗值和轉(zhuǎn)子磁鋼渦流損耗值非常小，在計(jì)算中可忽略不計(jì)[6]60-62?？赏ㄟ^上述公式計(jì)算電機(jī)在額定工況下工作的主要損耗值(參見表2)。

表2 電機(jī)各部分的損耗值 (單位：W)

二、電機(jī)仿真計(jì)算

本實(shí)驗(yàn)采用Motor-CAD進(jìn)行電機(jī)熱仿真分析。這是一款全球領(lǐng)先的電機(jī)電磁、熱設(shè)計(jì)軟件，也是全球唯一一款專業(yè)的電機(jī)熱路、磁場、磁熱互耦仿真設(shè)計(jì)軟件，在電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有良好的聲譽(yù)和優(yōu)秀的表現(xiàn)。其電機(jī)熱計(jì)算模塊可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)各部分的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)溫升計(jì)算，電機(jī)不同工況如空載、額定、短路、循環(huán)工況的溫升計(jì)算，以及各部分耗散熱量分布計(jì)算、各部件熱容、熱阻、對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算等；還可以根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式、材料特性、冷卻方式等參數(shù)進(jìn)行仿真分析、優(yōu)化溫升計(jì)算，功能十分強(qiáng)大[7]16。

(一)電機(jī)熱模型的建立

根據(jù)電機(jī)的樣機(jī)尺寸及相關(guān)材料，運(yùn)用Motor-CAD熱仿真模塊，建立如圖2所示的熱仿真模型(參見圖2)。具體包括電機(jī)外殼1、轉(zhuǎn)子鐵芯2、轉(zhuǎn)子磁鋼3、定子鐵芯4和繞組5等部件的發(fā)熱情況。電機(jī)中定子與轉(zhuǎn)子之間存在1 mm的氣隙。由于電機(jī)定子鐵芯與繞組之間存在槽絕緣6，因此鐵芯上纏繞的鋁線與定子鐵芯之間存在1 mm的絕緣層(參見圖3)。纏繞鋁線上的絕緣漆膜參數(shù)可在鋁線絕緣層材料進(jìn)行設(shè)定[8]25。

圖2 電機(jī)熱仿真模型圖 圖3 定子鐵芯和繞組局部圖

(二)電機(jī)工作狀態(tài)的設(shè)定

全自動(dòng)洗衣機(jī)的工作，需經(jīng)歷洗滌、漂洗和脫水三個(gè)過程。洗衣機(jī)的不同工作模式會(huì)帶來電機(jī)不同的溫升情況。其中，棉麻洗程序時(shí)電機(jī)的溫升最高。棉麻洗程序的一個(gè)周期進(jìn)水至少135 s，洗滌90 min；其漂洗過程比較復(fù)雜，依次為脫水4 min，進(jìn)水至少135 s，洗滌3 min；第一個(gè)周期結(jié)束之后，又進(jìn)行第二個(gè)周期、第三個(gè)周期的漂洗，最終脫水9 min。在上述過程中，電機(jī)頻繁啟動(dòng)/停止，且在不同狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生改變，停轉(zhuǎn)比也在發(fā)生變化。這些改變都會(huì)影響電機(jī)的內(nèi)部損耗值，從而影響電機(jī)溫升。

由于在電機(jī)溫升測試中包含上述三個(gè)周期，因此，在仿真軟件中，應(yīng)該按照設(shè)定的棉麻洗程序，編寫時(shí)間-轉(zhuǎn)速周期運(yùn)行程序(參見圖4)。圖4為一個(gè)周期的時(shí)間-轉(zhuǎn)速圖。

(三)電機(jī)溫升仿真的結(jié)果

在Motor-CAD仿真軟件中依次輸入該電機(jī)結(jié)構(gòu)、材料和運(yùn)行等參數(shù)，環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃，完成上述三個(gè)周期的電機(jī)溫度仿真計(jì)算。電機(jī)在三個(gè)周期運(yùn)行結(jié)束后，各部件的終態(tài)溫度如圖5所示(參見圖5)。由圖5可知，電機(jī)溫度較高的區(qū)域集中在定子鐵芯和繞組部分，繞組的平均溫度為71.5 ℃，定子鐵芯(軛部)的平均溫度為70.5 ℃，定子鐵芯(齒部)的平均溫度為70.4 ℃。這是因?yàn)椋姍C(jī)熱量主要來源于定子鐵芯(軛部和齒部)和繞組損耗。從熱傳導(dǎo)基本理論可知，熱源位置對(duì)應(yīng)的溫度較高。

圖4 一個(gè)周期內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速圖示 圖5 電機(jī)各部件終態(tài)溫度圖示

通過以上分析可知，電機(jī)的定子鐵芯和繞組的溫度較高。該結(jié)構(gòu)處的瞬態(tài)溫度變化如圖6所示(參見圖6)。從圖6可以看出，定子鐵芯和繞組的溫度在三個(gè)周期中的整體變化趨勢(shì)一致，但不同周期中對(duì)應(yīng)的同一運(yùn)行瞬時(shí)，其運(yùn)行周期靠后時(shí)，對(duì)應(yīng)溫度有所上升。

由于三個(gè)周期中定子鐵芯和繞組的溫度變化趨勢(shì)較一致，因此，可以選用第一個(gè)周期分析電機(jī)在洗衣機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的溫度變化。從中可以看出：洗衣機(jī)處于洗滌狀態(tài)時(shí)，溫度逐漸上升。洗衣機(jī)處于漂洗狀態(tài)時(shí)，洗衣機(jī)脫水后開始進(jìn)水時(shí)，電機(jī)的停轉(zhuǎn)次數(shù)減少，溫度有所下降；洗衣機(jī)進(jìn)水完成后，會(huì)進(jìn)行3 min的洗滌，此時(shí)電機(jī)又開始頻繁啟停，溫度就又逐漸上升。兩次漂洗，其溫度的變化趨勢(shì)相同，后一次漂洗的整體溫度有所下降。這是因?yàn)?，電機(jī)啟停次數(shù)減少后，產(chǎn)熱小于向外界環(huán)境散熱，所以溫度下降。洗衣機(jī)處于最終完全脫水狀態(tài)時(shí)，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)熱大幅降低，所以溫度也下降。

三、電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證所建立的電機(jī)熱模型的正確性，課題組搭建了電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)裝置(參見圖7)。該裝置由洗衣機(jī)和TOPRIE 多路數(shù)據(jù)記錄儀組成，TOPRIE多路數(shù)據(jù)記錄儀用來記錄溫度信息。其中，橫坐標(biāo)為測試時(shí)間，縱坐標(biāo)為溫度值。在電機(jī)內(nèi)部埋置若干熱電偶，并實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行功率。

圖6 電機(jī)定子鐵芯和繞組的溫度曲線圖 圖7 電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)測試裝置圖示

實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)電機(jī)繞組的溫度測試結(jié)果如圖8所示(參見圖8)。通過與仿真所得溫度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者整體變化趨勢(shì)相同。在相同周期內(nèi)，洗衣機(jī)處于洗滌狀態(tài)時(shí)，溫度逐漸升高；處于漂洗狀態(tài)時(shí)，溫度先下降后上升；在最終脫水狀態(tài)時(shí)，溫度逐漸降低。

為了將繞組的溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并考慮到電機(jī)在三個(gè)周期中溫度變化趨勢(shì)大體一致，課題組對(duì)周期Ⅰ中的溫度極值依次進(jìn)行編號(hào)。所獲得實(shí)驗(yàn)和仿真溫度結(jié)果如表3所示(參見表3)。從表3可知：電機(jī)繞組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果之間的最大相差為2.4 ℃，誤差為3.2%；電機(jī)繞組與仿真的最大溫升分別為51.1 ℃和52.2 ℃，誤差相差為2.1%。由以上分析可知，繞組的溫升仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。說明本實(shí)驗(yàn)所建立的電機(jī)仿真模型是正確的，可用于指導(dǎo)該型電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。