李勇，陈影，史庆夫，刘彦彬，陆永平

    (哈尔滨工业人学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：  随着生活水平的提高，低噪音的无刷直流电机直接驱动系统在高档家电中的应用越来越多。文章基于无刷直流电机本身的特点，分析了在高档滚筒洗衣机中应用的无刷直流电机直接驱动系统的特点和要求。针对不同的结构进行了磁场设计和性价比分析，最后给出了****方案。

    关键词：无刷直流电机；IPM；直接驱动：滚筒洗衣机

  0引言

    随着我国经济社会的发展和人民生活水平的提高，以洗衣机、电冰箱等为主的家电已经成为各家庭的基本生活用品。现在，人们对家电的节能和环保化趋势的要求也越来越迫切，性能优异、节能环保的绿色家电越来越受青睐。作为绿色家电驱动系统的主力，无刷直流电机直接驱动系统的正朝着多功能、高效节能和环保化等方面发展。

    直接驱动洗衣机，即DD洗衣机(Direct Driving)在运行过程不仅能够实现低速大力矩驱动和高速轻载驱动，还能自动完成洗涤与脱水状态的切换。结构相对简单的直接驱动式滚筒洗衣机，因为它在洗涤和脱水的时候滚筒都在旋转，因而不存在采用离合器的问题。但这种洗衣机主要是偏置负载，对驱动电机的要求较高。与传统洗农机用电机相比，无刷直流电机采用永磁体建立励磁磁场，具有结构简单、调速性能好，低噪音，效率高、可靠性高等优点。近年来，随着永磁材料性能的提高和价格的降低，使得采用无刷直流电机作为滚筒洗衣机的驱动电机具有广泛的发展前景。

    本文根据同一设计指标，设计了五种类型的无刷直流电动机。使用ANSOFT软件研究五种电机的磁场分布规律，通过对它们的磁场特性、主要参数、材料、成本、性价比进行了对比分析，最后得出了个****方案，即采用内转子IPM切向式铁氧体磁钢方案的电机具有****的性能价格比，这种设计它在高档全自动滚筒洗衣机设计中应该具有广泛的应用前景。

  1滚筒洗衣机对直接驱动系统的要求

    按照结构，洗衣机可以分为波轮式、搅拌式和滚筒式三大类。过去几十年中，在国内，波轮洗衣机占的份额最多，也******国人的使用习惯，但在欧美等发达国家，滚筒式由于对衣物的损伤最小，是********的。近年来，国外陆续推出了很多规格的高档全自动滚筒洗衣机，采用低噪音无刷直流电机直接驱动，****的价格在人民币1万元以上，不但可以设定各种工作模式，还可以自动实现衣物的干燥和熨平，对使用者确实极为便利。

  滚筒洗衣机由于其结构和运行的特殊性，对直驱系统的要求和波轮系统也有所不同，主要体现在：

    (1)滚筒洗衣机没有波轮洗衣机中的减速离合器，所以更适合于采用直接驱动方式。

(2)对驱动系统的调速性能要求更高，调速比更大。波轮洗农机的洗涤／脱水典型速度是160／800 r／min,而滚筒洗衣机对应的是50／1100 r／min，带有干衣功能的则会更高，在1200r／min以上。

    (3)低速时的转矩裕度要大。由于滚筒是水平放置的，洗涤时含水的衣服会随着滚筒的滚动形成偏载，衣物还会从滚筒顶部摔下形成冲击负载，这就要求驱动系统要有足够的转矩。

    (4)驱动电机装配形式比较灵活。由于滚筒本身有比较稳定的轴系，所以电机采用内转子、外转子、组装式、分装式都可以，不像波轮洗衣机，只有分装式比较适合。

    (5)驱动系统价格稍高些对整机影响不大，冈为与波轮式洗农机相比，滚筒洗衣机本身就是高端消费品。

由上述分析可见，在滚筒洗衣机中采用低噪音高性能的无刷直流电机直接驱动系统是最适合的。目前国外已经有多款成熟产品，日本韩国公司的最多，如夏普、东芝、LG等。几种应用于洗衣机直接驱动的无刷直流电机如图l～3所示。

 

 

2直驱式无刷直流电机的磁场特点

    按照绕组中的电流波形，无刷直流电机可以分为方波电流驱动方式和正弦波电流驱动方式，后者又叫做交流永磁同步电机。采用正弦波驱动时，绕组的反电势波形一定是正弦的，因此电机的定位力矩会较小。采用正弦波驱动后，电机的力矩波动电会很小，电机系统运行平稳，噪音低。因此正弦波驱动方式的交流永磁同步电机更适宜于在高档白色家电中使用。

按照转子结构，无刷直流电机分为内转子和外转子两种。如果转速较低转矩较大，那么外转子方式比较适合。对于高档滚筒洗衣机来说，****转速可能会在l200r／min以上，而且滚筒的驱动是靠外轴伸，因此采用内转子结构更有利些。

从磁场的分布来看，无刷直流电机有表面式磁钢sPM和嵌入式磁钢IPM两种。sPM结构相对来说比较简单，电机的特性主要依赖于磁钢的特性，但磁极数太少时漏磁较大。当磁钢厚度达到一定程度后，还可以采用一种特殊的’Halbach结构，使气隙磁密幅值提高，波形正弦化。普通IPM结构一般采用径向磁钢方案，当转子磁极数很多时磁路也存在问题。但IPM结构的无刷直流电机定子绕组电感较大，更适宜于弱磁控制以提高转速范围。近年来还出现了切向磁钢结构的IPM设计，由于有聚磁效应，更适宜于应用磁性能较低的磁性材料如铁氧体，也具有很好的市场竞争力。几种磁路结构的示意图如图4所示。

 

 

3磁场计算及方案比较

在所研制的系统中，需要达到的主要性能指标是：

1)对应洗涤状态，转速50 r／min，转矩20 N·m；2)对应脱水状态，转速l100 r/min，转矩2N·m；3)洗涤****力矩26N·m；4)脱水****力矩3. 5N·m。针对同一设计指标，采取的设计方案及磁场计算结果如下。

3. 1 sPM钕铁硼方案

这是最常用的表贴式径向磁场设计方案，内转子结构，磁钢厚度3．5 mm，转子轭厚5 mm，Y₁=l集中式绕组。磁场计算得到气隙磁密和线反电势波形如图5所示。下面所有方案中冲片材料一律选用Dw470—50。3 2 sPM铁氧体方案

为了降低成本，采用了铁氧体磁钢，也是表贴式径向磁场设计，内转子结构，磁钢厚度9mm，转子轭厚3mm，Y₁=l集中式绕组。磁场计算得到气隙磁密和定子轭磁密波形如图6所示。

 

 

3 3 sPMHalbach铁氧体方案

为了和第二种方案对比，设计了铁氧体磁钢的Halbach结构，磁钢厚度也是9 mm，转子轭厚2．5 mm，Y₁=l集中式绕组。磁场计算得到气隙磁密和转子轭磁密波形如图7所示。

 

 

3 4 IPM径向磁钢钕铁硼方案

采用钕铁硼磁钢作为IPM结构时，都要采用径向磁钢结构。设计中转子磁极数为4，v型结构，定子槽数30，Y₁=7双层叠绕组。磁场计算得到气隙磁密和定子齿磁密波形如图8所示。

 

3 5 IPM切向磁钢铁氧体方案

同样为了降低成本，也设计了切向铁氧体磁钢IPM结构，磁钢厚度13 mm，Y1=l集中式绕组。磁场计算得到气隙磁密和线反电势波形如图9所示。

 

 

4方案分析比较及结论

    根据仿真计算结果，处理分析后得到几种方案的数据对比。表1为磁场特性的对比，表2为主要参数的对比，表3为主要材料、总体成本及性价比的对比。

 

 

由表1可以看出，相同结构时采用钕铁硼材料可以保证很高的气隙磁密。采用Halbach结构，可以提高气隙磁密约1/4，非常可观。而且，只有通过Halbach结构和切向IPM这两种结构才能使气隙磁密数值大于剩磁数值。

从额定点电流密度来看，方案2不能满足运行要求。而从弱磁控制性能上看，方案5无疑是****的。

从主要材料来看，方案4由于磁极数少导致定子铁心轭部厚，绕组端部长，转子也是冲片结构，所以造价****。相比较而言，方案5是****的，其次是方案3，但由于HaIbach结构的磁钢加工、充磁等工艺比较麻烦，所以总体看来应该是IPM切向磁钢铁氧体方案****。

综上所述，通过对同一约束条件下五种电机的磁场特性、主要参数、主要材料、总体成本及性价比的对比分析，采用IPM切向式铁氧体磁钢方案应该具有****的性能价格比。其结构的特殊性，使它在作为全自动滚筒洗衣机的直接驱动场合具有一定的优势。这也许是在家电这样的对价格比较敏感的领域中，无刷直流电机直接驱动系统的一个发展方向。