有色金属材料与工程  2016, Vol. 37 Issue (2): 21-27   PDF    
引用本文
梁小伟, 严彪. 采用软磁复合材料粉末冶金工艺生产的空调电机性能研究[J]. 有色金属材料与工程, 2016, 37(2): 21-27.
LIANG Xiaowei, YAN Biao. Study on Performance of Powder Metallurgical Motor Developed with Soft Magnetic Composites[J]. Nonferrous Metal Materials And Engineering, 2016, 37(2): 21-27.
采用软磁复合材料粉末冶金工艺生产的空调电机性能研究
梁小伟, 严彪     
同济大学 上海市金属功能材料应用开发重点实验室, 上海 201804
收稿日期: 2015-12-15;
作者简介: 梁小伟(1978-),男,博士,高级工程师.主要从事金属材料表面处理和粉末冶金制品的应用研究.E-mail:lxw202@sohu.com
摘要: 直流无刷电机的定子通常采用硅钢材料冲压后叠片制备而成.研究采用一种全新3D设计的粉末冶金工艺,并通过使用软磁复合材料(SMC)来开发电机定子,成功用于房间空调系统中的变频滚动转子压缩机电机.通过与传统叠片式电机定子进行比较,探讨了SMC的性能、此材料用于电机定子制造的设计优势以及这种新结构的SMC电机的性能.结果表明:采用SMC制造的电机定子具有更大的设计自由度和更小的结构尺寸;与传统方式制造的电机定子比较,在不同的工作频率下,SMC定子的电机性能略显不足;通过优化SMC、粉末冶金工艺和电机的设计,可以显著地改善SMC电机的性能.
关键词： 软磁复合材料     粉末冶金     电机     3D设计    
Study on Performance of Powder Metallurgical Motor Developed with Soft Magnetic Composites
LIANG Xiaowei, YAN Biao     
Shanghai Key Lab. D &A for Metal-Functional Materials, Tongji University, Shanghai 201804, China
Abstract: The stator for brushless direct current(BLDC) motor is usually manufactured by laminating stamped silicon steel.In this paper motor stator is made of soft magnetic composites(SMC) by adopting a fresh new 3D design with powder metallurgical technology(PMT),which is applied in the inverter rotary piston compressor of room air conditioning system.The properties of SMC,the design advantages of using motor stator in manufacturation and performance of a new structure motor are addressed by comparing with the traditional laminated motor.The results show that SMC offers much more design freedom and smaller structure size.Compared with laminated motor,the motor made of SMC has a poorer performance under various operation frequencies.However,improvement on the performance of a SMC motor can be made by optimizing SMCs,PMT and design of the motor in the future.
Key words: soft magnetic composites     powder metallurgical     motor     3D design    

中国是家电大国,以空调为例,2014年的产量达到1.4亿台,约占全球产量的85%.空调电机是滚动转子压缩机的核心零件,其商品化生产依然通过对硅钢材料采用连续冲压叠片工艺制备.图 1是空调用滚动转子压缩机中采用的几种电机.

图 1 用于空调滚动转子压缩机的不同电机种类 Fig. 1 Different motors applied in the rolling piston compressor for air conditioning

随着能效能级的不断提高[1],对空调压缩机工作频率的要求越来越高.尤其是高频工作区,对传统电机中涡流效应的抑制变得越来越困难,导致热损失增加,电机的高效性能无法获得满意的效果.另外,采用这种工艺制造时还存在以下的不足:复杂的加工工艺需要大量的投资用于设备;较低的材料回收率,尤其是变频电机的制造,超过30%的原材料无法有效利用;电机结构和电磁场的优化只能限制于2维(2D);电机在轴向上的热扩散不均匀;日益增加的成本和复杂的工艺限制了硅钢材料在滚动转子压缩机高频电机上的应用;这种电机的组件难以回收利用.

针对上述问题,已经有研究将通过软磁复合材料(SMC)直接成形的电驱动部件应用于交流电机.这类软磁复合材料非常适合用于复杂电机结构中,对于解决上述问题具有很大的潜力[2-8],而且已经有研究结果开始采用这种材料制造电机来替代传统电机,并用于汽车和电动自行车等产品[3, 9-11],其中Persson等[12]还在涡旋压缩机上开展了电机的应用研究.

1 软磁复合材料

纯铁粉颗粒,直径大约100 μm,外观如图 2所示.经过树脂混合后充分地压缩在一起,加热制成铁芯部件.图 3为压制后的粉末磁芯部件的微观结构示意图[4-5].

图 2 100 μm的纯铁粉颗粒 Fig. 2 100 μm pure iron powder particle

图 3 电绝缘的铁粉颗粒 Fig. 3 Electrically insulated iron-powder particles

对于磁性能和力学性能而言,SMC是均质材料,因此电机的磁回路设计可以采用3D结构,与传统电机比较,增加了一个新的维度.另外,粉末冶金工艺更适合结构复杂、近成形、公差要求高和表面质量要求高的复杂零部件.

图 4总结了目前为止主要不同磁性材料的运转频率和磁通密度的关系.从图 4可见,铁氧体在高频区具有较小的铁损,但是它的磁通密度也低,因此对于制作大型的铁芯元件,存在不足;而硅钢具有高的磁通密度,但是在高频区运行时铁损高,因此也不适合.由于运转频率和磁通密度取决于实际应用变化,对于交流电机,SMC更适合于每一种应用,并且能够弥补上述两种材料的不足[13].

图 4 不同磁性材料运转频率和磁通密度的关系 Fig. 4 Relationship between the frequency and magnetic flux density for different types of magnetic materials

图 5为SMC1#和SMC2#以及硅钢的磁化(B/H,B和H分别为磁感应强度和磁场强度)曲线.从图 5中可以看出,与硅钢比较,最新开发的SMC的磁感应强度较低,主要的影响来 源于SMC的绝缘层,它作为一种分布的气隙结构存在于其结构中.对于高磁阻电机,例如永磁电机,SMC较低的磁感应强度对电机的性 能影响有限,可以通过其他特性优势来弥补.本文 选用SMC2#进行电机性能的研究[5].

图 5 不同磁性材料B/H曲线比较 Fig. 5 Comparison of B/H curves among different magnetic materials
2 软磁复合材料电机的设计 2.1 3D-磁通量和绕组结构

作为均质材料,SMC电机部件的设计采用3D磁通路.磁芯是由一个个绝缘的100 μm的磁性粉末颗粒组成,可以使磁性材料的厚度降低到0.1 mm,在交流磁场中可以显著降低铁损.

这种特点可用于设计高磁通密度的回路,典型的案例如图 6所示.图 6呈现出SMC的3D优势.定子带绕组的齿部分别采用硅钢和SMC制备,并且采用同一高度,采用3D设计的SMC齿部,沿轴向顶部变长,芯部缩短,整个齿部更短,如图 7所示.对比传统的2D冲压叠片设计,采用3D设计的最显著优势在于不受转子的限制,任何一种方案设计的转子都可以用于最终的电机[2, 14-15].

图 6 不同电机绕组结构的比较 Fig. 6 Comparison of the winding structure among different motors

图 7 3D的SMC齿部 Fig. 7 7 3D SMC tooth
2.2 定子结构

重新设计后的SMC定子结构如图 8所示,齿部通过键与定子根部上的槽进行组装.

图 8 SMC定子结构 Fig. 8 SMC stator configuration
2.3 电机组装

为了使电机的组装兼顾成本和效率,减少了额外零件的使用,例如螺母和螺栓,如图 9所示.采用相同的齿部设计,独立绕组,最后统一安装到定子根部上.通过这种更加整体的结构方式,可以获得更低的电机成本.

图 9 SMC电机的组装示意图 Fig. 9 Assembly illustration of SMC motor

电机的结构示意图及其他参数如图 10和表 1所示.

图 10 电机结构示意图 Fig. 10 Structure diagram of the motor

表 1 叠片电机和3D SMC电机的参数 Tab. 1 Parameters of laminated motor and 3D SMC motor

在采用同一转子的条件下,与传统叠片工艺比较,通过采用3D SMC粉末冶金工艺,使获得更小尺寸的电机成为可能.这是因为:通过压制圆形的SMC齿部,绕组长度从30 mm降低到25 mm,因此在相同的工作电流下,铜损显著降低;槽满率超过67%,而传统叠片工艺只有60%;随着齿部变大,用于绕组的面积变大,导致磁通密度降低,因此有利于铁损降低;圆形齿部无锋利的边缘,可以使用更小线径的铜线或者相同规格的铜线使用量降低,减少铜损;定子的高度可从60 mm降低到45 mm,铜线使用量从440 g降低到360 g.

3 测试结果和讨论 3.1 电机的启动电压

启动电压可以采用公式进行计算:

$U = 4.44fN{\phi _m}$ (1)

式中:U为电机的工作电压;f为电机的工作频率;N为绕组的个数,φm为电机的磁通量.

测试结果如表 2所示.

表 2 启动电压比较 Tab. 2 Starting voltage of laminated motor and SMC motor
3.2 电机的铁损和铜损

总的铁损包括涡流损失和磁滞损失.SMC中,通过对细小铁粉的绝缘化处理已经把涡流损失降到最低[16],因此其损失主要来自于磁滞损失.根据测试结果,在实际工况下,SMC的铁损依然显著高于传统工艺,所以如何改善铁粉的磁滞损失是这种新型工艺应用的最大挑战.

铜损的计算按下述公式进行,即:

$Q = {I^2}R$ (2)

式中:Q为铜损;I为绕组中的工作电流;R为绕组的电阻.

图 11为叠片电机和SMC电机的铁损和铜损比较.即使SMC电机使用较少的铜线,其铜损依然略高于叠片电机,可知其工作时存在较高的工作电流,说明SMC的饱和磁感应能力较差,有待于优化.

图 11 叠片电机和SMC电机的铁损和铜损的比较 Fig. 11 Loss comparison between laminated motor and SMC motorunder the same operation condition
3.3 电机的效率

在相同工况和转子规格条件下,对两种电机从1 000 r/min到8 000 r/min的工作效率进行了对比测试,结果如图 12所示.从图 12中可见,低转速下,SMC电机的工作效率要低10%左右;随着转速升高,该电机的性能升高,但是与传统电机比较,依然要低3%左右.

图 12 SMC电机与叠片电机在不同转速下的工作效率比较 Fig. 12 Comparison of the operation efficiency between SMC motor and laminated motor under different rotary speeds
4 结语

通过采用SMC,对滚动转子式压缩机用的叠片电机定子进行了重新设计,并进行了性能对比,得出以下结果:

(1) 经过重新设计,SMC电机的性能降低了3%～10%;

(2) 电机高度降低了约20%;

(3) 铜线绕组使用量降低了约20%.

总而言之,根据上述已经获得的试验结果,可以作为未来SMC粉末冶金电机改善和优化的基础.改善铁损的关键主要还是取决于使用材料的性能、粉末冶金工艺和电机的3D设计.实际上通过3D优化设计和磁通的进一步集中,可以弥补SMC较弱的磁性能;再结合SMC性能的特性研究,最终可以成功实现商品化应用.

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