龚春雨，袁海林，陈 宝

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233)

与传统电动机相比，永磁电动机具有结构简单、体积小、能耗少、效率高等特点，其形状和尺寸设计灵活，使用范围极为广泛。而永磁无刷电动机用电子换相取代机械换相，其可靠性更高，寿命更长，因此发展很快，应用前景广阔。

本文所述家电领域用永磁无刷电动机主要是空调器、洗衣机、电冰箱用的电动机。

1 家电领域用电动机的演变

随着社会发展和人们生活水平的不断提高，家电需求量迅速增加，一个家庭中拥有的电动机数量多少已代表一个国家人们生活水平的高低。改革开放后，我国人民生活水平不断提高，国内家电市场随之不断扩大，出口量也不断增加，我国已是空调器、洗衣机、电冰箱等家电产品制造大国。家电领域用电动机目前约占微特电机总销量的17%左右。

家用电器最早主要使用单相异步电动机，虽然其结构简单、无驱动电路、使用方便、价格便宜，但其效率低、材料利用率低。上世纪90年代开始采用变频调速异步电动机，虽然效率、利用率有所提高，但是转子中仍然存在二次电流损耗，调速性能亦不如永磁无刷电动机。随着永磁无刷电动机的发展，日本99%以上空调器采用永磁无刷电动机，替代变频调速异步电动机。与单相异步电动机相比，在相同的额定功率和额定转速下，则永磁无刷电动机的体积为其38%，重量为其34.8%，用铜量为其20.9%，用铁量为其36.5%，效率提高10%左右。我国家领域电目前主要还是采用单相异步电动机和交流串励电动机，但永磁无刷电动机需求量迅速增加。

家电产品消耗电能比例大，而电动机耗电是主要的。“十二五”期间我国积极推广高效节能电机，其中包括永磁电机。

2 家电领域用电动机的基本要求

(1)高效率:人类面临资源枯渴、能源紧张、环境污染和气候变暖等问题，对使用量很大的家电领域用电动机要求高效节能是必然趋势，是永恒的课题。

(2)静音化:人们生活水平的提高，要求家电领域用电动机低振动、低噪声，达到静音化。

(3)低成本:家电领域用电动机因量大而竞争激烈，在满足性能前提下，要求材料使用少，生产便于自动化，尽可能降低生产成本。

(4)高可靠、长寿命:电动机是家电中的关键件和运动件，要求可靠性高，寿命长。

3 家电领域用永磁无刷电动机的电枢设计

为了满足家电领域用电动机的要求，人们对家电领域用永磁无刷电动机不断进行研究、开发和改进，以满足高效率、省材料、静音化、低成本、高可靠、长寿命的要求。下面简述空调器、洗衣机、电冰箱等家电用永磁无刷电动机的技术特点。

3.1 电枢

(1)电枢铁心和绕组

传统电动机采用整体电枢铁心和分布绕组，将预先绕好的线圈嵌入槽内，线圈端部长度长，导线排列不整齐，槽满率低，造成绕组电阻增大，电动机体积增加。为了提高绕组槽满率，缩短绕组端部长度，节省材料，便于自动化生产，家电领域用永磁无刷电动机的电枢铁心和绕组采用整体电枢铁心和集中绕组;进而采用分割式电枢铁心和集中绕组，分割式电枢铁心有铰链式和完全分割式两种，图1是整体电枢铁心、铰链式电枢铁心和完全分割电枢铁心冲片图。

图1 各种电枢铁心冲片图

分割式电枢铁心和集中绕组结构，导线由绕线机自动直线绕在每个齿上，缩短了绕组端部长度，导线排列整齐紧密，可以充分利用槽内空间，提高槽满率。一般情况下，可以减小绕组每匝长度约20%，最高槽满率可达到95%，从而使电机长度可缩小约30%，体积减小25%左右。分割式电枢铁心冲片可以用带状材料冲制，废料较少，若采用对称分布的一模二付冲模，材料更省，节约矽钢片。

分割式电枢铁心的拼块接缝处要紧密，不能有间隙，才能保证定子磁路平衡和不增加磁阻，为此分割电枢铁心冲片的模具精度要求高，同时要有专用的拼装夹具，才能保证接缝紧密和拼装后的电枢铁心内外圆同心度好。

(2)齿槽数和极数的选择

采用分割式电枢铁心冲片和集中绕组后，给电机设计带来了限制。要合理选择齿槽数与极数的配合，提高绕组系数，增加出力，采用斜槽或斜极，减小齿槽转矩。

空调器用永磁无刷电动机一般选择4极6槽、8极12槽、6极9槽、8极9槽和10极12槽的配合，根据式(1)～式(7)，它们的绕组参数设计如表1所示。

表1 5种极数/槽数配合参数计算结果

4极6槽电枢绕组电势星形图如图2所示。

图2 4极6槽电枢绕组电势星形图

从电枢绕组电势星形图可知，电枢并联支路数可以为1 和4。E1、E4为 U 相;E2、E5为 V 相;E3、E6为W相。

8极12槽电枢绕组电势星形图如图3所示。

从电枢绕组电势星形图可知，电枢并联支路数可以为1、2和4。E1、E4、E7、E10为 U相;E2、E5、E8、E11为 V相;E3、E6、E9、E12为 W相。

图3 8极12槽电枢绕组电势星形图

6极9槽电枢绕组电势星形图如图4所示。

从电枢绕组电势星形图可知，电枢并联支路数可以为 1 和 3，E1、E4、E7为 U 相;E2、E5、E8为V 相;E3、E6、E9为 W 相。

图4 6极9槽电枢绕组电势星形图

8极9槽电枢绕组电势星形图如图5所示。

从电枢绕组电势星形图可知，电枢并联支路数只能是 1，E1、E3、-E2是 U 相;E4、E6、-E5是V 相;E7、E9、-E8是 W相。

图5 8极9槽电枢绕组电势星形图

10极12槽电枢绕组电势星形图如图6所示。

从电枢绕线电势星形图可知，电枢并联支路可以是 1和 2，E1、-E2;-E7、E8为 U 相;E4，-E3;-E10、E9为 V 相;E5、-E6;-E11、E12为 W 相。

图6 10极12槽电枢绕组星形图

(3)采用斜槽或斜极减小齿槽转矩

利用能量法得齿槽转矩谐波次数:

斜槽系数:

对4极6槽、8极12槽、6极9槽、8极9槽、10极12槽等5种齿槽数和极数的配合，按式(8)～式(12)计算，结果如表2所示。

表2 5种极数/槽数配合参数计算结果

从表1可知，不论直槽还是斜槽，8极9槽和10极12槽的绕组系数较大，在相同有效体积下其输出转矩，也就是输出功率较大，同时γ值较大，CT较小，因此齿槽转矩也较小，但是由于电磁不对称，尤其是8极9槽，故振动较大，为此要加强转子支承刚度。不论直槽还是斜槽，4极6槽、8极12槽、6极9槽绕组系数是一样的，在相同有效体积下其输出转矩，也就是输出功率是一样的。根据额定电压大小，电枢绕组并联支路数8极12槽选择余地最大，并联支路可以1、2、4。某绕制好的空调器用电机电枢图如图7所示。

图7 空调器用电机电枢

洗衣机用永磁无刷电动机极数和齿槽数配合有20极/24槽、24极/36槽、46极/36槽、56极/42槽等。

某塑绕制好的洗衣机用电机电枢图如图8所示。

图8 洗衣机用电机电枢

3.2 转子结构的永磁材料

转子有内转子和外转子两种，空调器风机用永磁无刷电动机两种结构都有。洗衣机用直接驱动永磁无刷电动机是外转子结构。压缩机用永磁无刷电动机是内转子结构。磁钢有圆柱形整块式、表面贴装式和内嵌入式。为了减低成本，永磁材料采用铁氧体磁钢较多，也有稀土钕铁硼永磁材料，如压缩机用永磁无刷电动机。

3.3 电机机壳结构

电动机机壳有铁壳式和塑封式两种，塑封结构可以减小电机噪声3～5 dB。

3.4 驱动控制

家电用永磁无刷电动机驱动控制主要功能是起动调速，精度要求不高，因此其驱动控制主要采用专用芯片，或简单的单片机控制，以降低其成本。为了减小电机噪声，提高效率和降低成本，随着专用芯片性能不断提高，从120°方波驱动发展到180°正弦波驱动，从有位置传感器发展到无位置传感器。

4 结 语

永磁无刷电动机系统的技术优越性使其应用越来越广泛，是目前家电领域控制系统的重要元件。本文对家电用永磁无刷电动机系统的技术特点进行了分析，特别是关键的电枢铁心和绕组的类型选择以及齿槽数和极数的配合作了较为详细的论述，采用分割式电枢铁心和集中绕组结构可以缩短电机长度，减小体积，用材料更省;合理选择齿槽数/极数的配合可以提高功率体积比;采用塑封机壳可以减小噪声。这些措施使永磁无刷电动机更好地满足家电用电动机高效率、低成本、静音化、高可靠、长寿命的要求，对研究人员和设计人员有一定的参考意义。我国节能家电产品的推广会大大促进永磁无刷电动机在家电中的应用，微特电机行业要加快产品结构调整，提高产品档次，适应家电市场需求。

［1］ 中国电子科技集团公司第二十一研究所.2002年日本小电机技术译文集［M］.上海，2002.

［2］ 中国电子科技集团公司第二十一研究所.2008年日本小电机技术译文集［M］.上海，2008.

［3］ 叶金虎.现代无刷直流永磁电动机的原理和设计［M］.北京:科技出版社，2008.