压缩机用外转子永磁同步电机结构优化

张兴志，孙建龙，范 杰

(上海海立电器有限公司，上海 201206)

0 引 言

随着消费者对生活环境舒适的要求越来越高，对压缩机电机提出了高效率、低噪声、稳定运行、变频调速的高性能要求。外转子永磁电机具有高功率密度、结构紧凑、长寿命和安全可靠的优点[1]，但外转子永磁电机也存在磁钢成本较高、加工较难的劣势，有必要对外转子电机进行深入研究。

近年相关的电机学者和电机企业已对外转子电机进行了大量的研究工作[2-4]，早期主要是定速外转子电机，主要应用在风机上。随着国家全面提升电机能效水平和促进电机产业转型升级，永磁同步电机得到了较快发展，同时永磁材料的快速发展也极大地推动了永磁电机的开发应用。伴随着永磁电机的快速发展，越来越多的学者开始对外转子永磁电机展开研究，并将外转子电机应用到越来越多的领域。华北电力大学的王艾萌通过对外转子电机电枢齿部磁密和绕组系数的分析，发现不等齿宽结构能够提高输出转矩[5]。同济大学的左曙光对外转子轮毂电机电磁噪声测试方法及特性进行了分析，发现转速对电磁噪声影响较大，负载扭矩对其影响较小[6]。三洋电器股份有限责任公司对洗衣机用外转子永磁电机进行了研究，主要通过不等厚磁铁的设计，优化气隙磁密，提高输出转矩[7]。

在冰箱压缩机上的应用以思科普公司和日本株式会社日立制作所为代表，这两家公司在外转子冰箱压缩机上做了较多研究，并且思科普公司已有相关产品。该款产品相比其他冰箱压缩机，结构明显紧凑，体积大大减小，且通过相关资料的调查发现，该款压缩机的噪声振动也较小，从而结构紧凑、体积小、噪声小成为该款压缩机的卖点。

随着电动汽车和混合电动汽车市场的兴起，电动涡旋压缩机研究也越来越热。伟世通公司在2010年推出了新型、轻便的外转子电动压缩机，并将该款外转子电动压缩机应用在了最近推出的宝马7系混合动力车上。

本文为了将外转子电机结构紧凑、转动惯量大、高效低噪声的优势应用于空调压缩机中，满足消费者对空调压缩机高效率、低噪声、稳定运行、变频调速的高性能要求，进行了外转子压缩机电机的方案设计，并对电机定子齿轭比、齿靴、磁铁厚度、极弧系数等进行了一系列优化，使得影响电机噪声的发电电压谐波、齿槽转矩和转矩脉动降到最低，最后进行了样机试制、实验平台搭建以及样机实验验证。

1 压缩机用外转子电机

本文计划对压缩机用外转子电机进行研究，电机主要参数如表1所示。

表1 电机主要参数

转速范围：1 000～8 000 r/min。

2 电机结构设计

2.1 结构尺寸设计

对于具有外转子电机的压缩机，外转子电机在追求高输出转矩的同时，电机的损耗尤其是铁耗会快速增加导致电机效率下降。转子轭部厚度r、磁铁厚度m、齿宽t对电机磁密大小有很大影响，进而影响电机的铁耗大小，如图1所示。

图1 外转子电机冲片图

磁铁厚度与转子轭部厚度的比例一般为0.38≤m/r≤0.6。r越大，转子轭部越容易承受磁通量，从而外转子电机的输出转矩越大，但r增大,会导致外转子电机的体积和尺寸的增大；m/r增大，铁损成增大的趋势，在[0.38,0.6]区间内，转矩有较大的增大趋势，铁损增加缓慢。

转子轭部与定子齿部的比例为1.8≤t/r≤2.5。随着t/r增大，输出转矩成饱和的趋势，当定子齿的宽度增大到一定程度时，定子齿的磁阻大小已基本不变，电机的转矩电流比不变，若t/r≥1.8，随着t/r比值的增大，铁损持续下降；但由于定子槽需要一定的空间容纳定子绕组，因此定子齿的宽度不能过大。

2.2 定子齿靴削极设计

现有外转子电机定子齿靴外沿是定子外圆的一部分，导致反电动势谐波较大，影响电机性能和噪声[8]。为了优化电机的反电动势，现有技术选择对磁铁的形状进行优化，包括不等厚磁铁，对磁铁进行削极角处理等。但由于技术原因以及磁铁的特性，一些复杂形状的磁铁制作加工难度大、成本高，因此本设计从定子冲片优化设计的角度出发，通过在定子冲片的齿上进行削极处理，实现不均匀气隙，使电机的气隙磁密正弦性更好，减小电机的反电动势谐波含量，改善电机的性能和噪声。

定子所在的外圆半径为R，定子槽口所在的外圆半径为r，削极角度为θ，削极深度为h(h=R-r)，定子槽数为S，定子齿的中心线与相邻槽中心线的夹角为Ψ(Ψ=180/S)；削极角度θ≤Ψ，削极的角度不能过大，也不能过小。削极角度过小，效果不明显，气隙磁密波形会产生平顶波，反电动势的波峰和波谷会产生平顶；削极的角度过大，气隙磁密的波峰和波谷会有尖顶，反电势的波峰和和波谷也会有尖顶，正弦性变差。因此削极的最优角度θ的区间为(Ψ/4,Ψ/2)。削极深度不宜过小，削极深度过小会导致削极后齿靴的磁密严重饱和，电机铁损严重，性能下降；削极深度过大，会导致槽漏抗增大，最优削极深度h为槽口深度h1的50%～200%。

图2 削极定子冲片图

图3为不同削极角度时的齿槽转矩。可以看出，削极角度在8°～10°时，齿槽转矩较小，其中削极角度为9°时，齿槽转矩最小。

图3 不同削极角度时发电电压和齿槽转矩

2.3 极弧系数选择

极弧系数描述了在一个极距范围下实际气隙磁场的分布情况。通过选择合理的极弧系数可以优化气隙磁密的波形和齿槽转矩。极弧系数的选择首先要满足电机的能力指标要求，再在一定的极弧系数范围内选择最佳的极弧系数[9]，图4为不同极弧系数时的齿槽转矩。

图4 不同极弧系数的齿槽转矩、发电电压

通过图4可以发现，极弧系数的大小可以影响齿槽转矩的大小和发电电压的大小。在极弧系数为0.85时齿槽转矩最小，极弧系数在0.8～0.9之间发电电压变化不大，综合考虑电机的性能和电机的噪声，最优极弧系数在0.82～0.87之间。

2.4 磁铁牌号选择

烧结钕铁硼的剩磁一般在1.1～1.4 T，通过图5可以发现，当使用剩磁Br为1.1～1.4 T的烧结钕铁硼时，定子齿部的空载磁密Bo明显高于我们平时的设计值1.5 T左右，定子齿部磁密饱和，当带上负载后，齿部的磁密会更加饱和，造成电机铁损高，发热严重，因此烧结钕铁硼不适合这款电机的设计。

图5 定子空载齿部磁密

不同牌号粘结钕铁硼的磁性能和抗退磁性能以及工作温度不同，粘结钕铁硼现在的剩磁最高，可以做到0.83 T，但其矫顽力很低，抗退磁能力很差。综合考虑，选择牌号为GPM-12H这款磁铁，这款磁铁的剩磁相对较高，为0.74～0.8 T，内禀矫顽力为760～880 kA/m，抗退退磁能力也相对较高。若牌号再高一档，内禀矫顽力下降到480～640 kA/m, 矫顽力瞬间降了很多。

3 电机有限元仿真

3.1 电机参数

对外转子电机进行初步方案设计，在初步方案的基础上降低磁铁牌号、加厚转子轭部，并对极弧系数进行优化，对定子齿部进行了削极处理，确定了最终方案，表2为最终方案的电机参数。

表2 外转子电机参数

3.2 有限元仿真结果

优化后的外转子电机发电电压波形如图6所示，外转子电机发电电压谐波分析如图7所示。

图6 外转子电机发电电压波形

图7 外转子发电电压谐波含量

优化后的外转子电机负载特性如表3所示，转矩波形如图8所示。

图8 制冷标况负载转矩波形

表3 制冷标况电机负载特性

4 实验设备改造

根据外转子电机的特殊结构，结合现有实验台的安装结构，对转子轴和定子套筒进行了气隙可调的结构设计。通过对实验夹具的设计，完成了外转子参数实验、特性实验平台的搭建，图9为搭建完成的电机特性实验平台。

5 实验验证

5.1 空载实验

外转子电机与批量电机发电电压波形如图10所示。

(a) 外转子发电电压波形

通过对比发现，外转子电机的反电动势波形正弦性优于批量内转子电机，外转子电机反电势的谐波含量为0.38%，远远小于批量内转子电机的5.92%，因此，推测电机的噪声将会很小。

5.2 电机参数实验

由于磁铁安装方式属于表贴式，相当于隐极式电机，因此d,q轴电感较接近，通过图11可以发现d,q轴电感相差0.1～0.2 mH。

图11 电机d,q轴电感

5.3 电机特性实验

(1) 效率曲线

外转子电机扭矩效率曲线和转速效率曲线如图12所示。由图12可见，扭矩在2～3 N·m下，外转子电机效率最高，转速在3 000～3 500 r/min下效率最高，其中在工况2.5 N·m，3 000 r/min时效率达到最大。

图12 外转子电机扭矩效率曲线

(2) 损耗曲线

外转子电机损耗仿真数据与实验数据如图13、图14所示，通过分析图13、图14可以发现，外转子电机实验发电电压比仿真电压低了5 V，实验负载电流比仿真负载电流大了4.5 A，导致实验负载铜损比仿真铜损增大。为了降低铜损，提高电机效率，后续还需提高发电电压。

图13 铜损曲线

图14 铁损曲线

6 结 语

本文对外转子电机的发展现状、技术优势以及外转子电机在压缩机上的应用现状做了分析，在此基础上进行了外转子压缩机电机的方案设计，并对电机定子齿轭比、齿靴、磁铁厚度、极弧系数等进行了一系列优化，使得影响电机噪声的发电电压谐波、齿槽转矩和转矩脉动降到最低，最后进行了样机试制、实验平台搭建以及样机实验验证。