电子膨胀阀用爪极式永磁步进电机研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 4.46MB 69 页 15积分

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摘要

本文主要从力矩特性方面对电子膨胀阀用爪极永磁步进电机（简称 PM 电机）

进行了优化研究。在电机内转子结构尺寸相对固定的情况下，研究部分参数变化

对电机力矩性能的影响，通过对比分析，达到设计出最优力矩性能的电子膨胀阀

用PM 电机的结构参数的目的。论文的主要工作包括以下几点：

1. 采用有限元分析软件对电子膨胀阀用爪极永磁步进电机进行数值分析计算，根

据PM 电机的性能需要对电机的自定位力矩和保持力矩进行了优化分析。对

PM 电机特性进行了分析计算，在电机转子尺寸、通电电流和定转子之间气隙

保持不变的前提下，通过改变爪极形状尺寸，得出了爪极形状参数对 PM 电机

性能的影响规律，并以此为基础对电机的爪极尺寸进行了优化设计，最终分析

得到最优结构尺寸参数，并根据有关厂家产品进行试验对比，验证了本文数值

方法的正确性。

2. 通过把电机线圈的通电电流、线圈匝数、磁转子磁性材料及其结构尺寸分别作

为一个基本的选择要素，计算分析了其变化对力矩特性和表面磁通密度的影

响。并比较分析了两种常见的爪极结构的电机力矩特性及表面磁通密度与磁通

密度矢量的分布。

3. 首先根据永磁爪极步进电机设计特点及电子膨胀阀所用电机设计特点，通过等

值磁路法对电子膨胀阀 PM 电机磁路进行分析，分析了该类电机磁钢永磁材料

的选用及相关参数的计算。

4. 最后，采用等值磁路计算模型开发了梯形爪极永磁步进电机设计计算模块，给

出了相应的计算方法和输入输出程序界面，能够为该类型电机实际设计提供理

论分析的工具。

关键词：电子膨胀阀爪极永磁步进电机爪极结构力矩特性

ABSTRACT

In this paper, the torque characteristic of a claw pole permanent magnet stepper

motor (PM motor), which is used in the electronic expansion valve (EEV), is optimized.

The research focused mainly on analyzing the motor torque performance under only

changing some stator structure size. And through comparative analysis, the structural

parameters of a PM motor with the optimal torque performance are obtained. The main

works are:

Firstly, the PM motor torque characteristics (including the detent torque and holding

torque) are numerically analyzed and optimized by the finite element analysis method.

Under changing the shape and sizes of the PM motor claws and keeping the other

parameters constant (such as the sizes of the motor rotor, electricity, the air gap between

its stator and rotor, current), the influence of the PM motor claw pole shape sizes is

gotten to the PM motor performance, and the claw pole motor sizes are optimized on

this basis. The experimental comparative analysis shows the numerical results is correct.

Secondly, under changing the motor coil current, the coil turns, themagnetic materials and

structural size, the torque characteristics and surface magnetic flux of the PM motor are analyzed.

And the torque and the vector distribution of the surface magnetic flux density are comparative

analyzed to the two PM motors with the trapezoidal claw-pole and the rectangle & trapezoidal

claw-pole respectively.

Thirdly, according to the design features of the claw pole permanent magnet stepper

motor and the PM motor of the EEV, the selection of the permanent magnets material

and the relevant performance parameters calculation of PM motors are analyzed by the

analysis method of equivalent magnetic circuit.

Finally, the calculation software of the trapezoidal claw pole PM motor is developed

with the equivalent magnetic circuit model. The software, which can provide a

theoretical analysis and design tool of this type motor, may show every step calculation

methods and is provided with user friendly in and out interfaces.

Key Words: electronic expansion valve;claw-pole permanent-magnet

stepping motor;claw-pole frame;torque characteristic

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 背景 ......................................................... 1

§1.2 爪极永磁步进电机目前的国内外先进水平 ......................... 3

§1.3 本课题主要研究工作及研究意义 ................................. 4

§1.4 课题来源 ..................................................... 5

第二章永磁材料及选用 ................................................ 6

§2.1 永磁材料简介及其分类 ......................................... 6

§2.1.1 永磁材料的发展简介 ....................................... 6

§2.1.2 永磁材料的分类 ........................................... 7

§2.2 永磁材料主要性能参数 ......................................... 7

§2.3 不同种类永磁材料的优缺点分析 ................................. 9

§2.4 本章小结 .................................................... 10

第三章电机的电磁场有限元分析 ....................................... 11

§3.1 电子膨胀阀用 PM 电机的工作原理 ............................... 11

§3.2 有限元法电磁场数值计算的基本原理 ............................ 12

§3.3 电子膨胀阀 PM 电机物理模型 ................................... 19

§3.4 电子膨胀阀 PM 电机边界条件及网格划分 ......................... 20

§3.5 计算结果与分析 .............................................. 21

§3.5.1 梯形爪极形状参数变化对 PM 电机力矩特性的影响 ............. 21

§3.5.2 矩形梯形形状爪极参数变化对力矩特性影响的对比分析 ........ 24

§3.5.3 两种爪极结构对力矩特性的影响的对比分析 .................. 27

§3.5.4 两种爪极结构表面磁通密度和磁通密度矢量分布比较 .......... 28

§3.5.5 其他参数变化对力矩特性磁场分布图和磁通向量图影响 ........ 30

§3.6 本章小结 .................................................... 35

第四章样机理论计算及实验研究 ....................................... 36

§4.1 模型建立 .................................................... 36

§4.1.1 模型来源及其主要参数 .................................... 36

§4.1.2 模型及其建模方法简介 .................................... 37

§4.2 模拟结果与实验对比分析 ...................................... 37

§4.3 本章小结 .................................................... 41

第五章电子膨胀阀 PM 电机的磁路分析 .................................. 42

§5.1PM 电机的等值磁路 ............................................ 42

§5.1.1 磁钢和外磁路等值磁路 .................................... 42

§5.1.2 电子膨胀阀 PM 电机的等值磁路 ............................. 43

§5.2 磁钢工作图解法 .............................................. 46

§5.3 磁钢工作点的解析法 .......................................... 46

§5.4 磁钢的工作点 ................................................ 47

§5.4.1 磁钢最大磁能积时的工作点 ................................ 47

§5.4.2 磁钢最大有效磁能时的工作点 .............................. 47

§5.5 电子膨胀阀磁钢材料选用及设计原则 ............................ 48

§5.6 本章小结 .................................................... 49

第六章电子膨胀阀用及类似电机工程计算程序 ........................... 50

§6.1PM 电机力矩计算基本理论分析 .................................. 50

§6.2PM 电机相关参数的理论计算 .................................... 53

§6.2.1 运动基本方程 ............................................ 53

§6.2.2 电路时间常数 ............................................ 53

§6.2.3 自然角频率 .............................................. 54

§6.2.4 内阻尼系数 .............................................. 54

§6.2.5 启动频率 ................................................ 54

§6.3 程序说明 .................................................... 55

§6.4 相关计算结果分析及实验验证 .................................. 59

§6.5 本章小结 .................................................... 60

第七章结论与展望 ................................................... 61

§7.1 总结 ........................................................ 61

§7.2 展望 ........................................................ 61

参考文献 ............................................................ 63

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 66

致谢 ................................................................ 68

第一章绪论

§1.1 背景

变频空调最早诞生于上世纪 80 年代日本，由于日本在软件控制和空调压缩机

的研发方面具有很大优势，所以变频空调很快就在日本市场上得到了广泛的普及。

我国是上世纪 90 年代开始引进日本变频技术，但由于国内变频技术和工艺与日本

相差很大，没有得到很快的普及，直到近几年变频空调才用重新成为一个“潮流”

在中国流行起来。

变频技术是空调领域比较先进的技术，变频能力可以通过调节变频压缩机转

速和电子膨胀阀开度进行较大范围的全自动精确调节。但国内多数企业在变频系

统控制等方面还处于引进状态，很多变频空调都不是真正意义上的变频，虽然压

缩机使用了变频压缩机，但节流部件仍然是毛细管，不能对室温进行较大范围的

精确控制。

在国外发达国家，变频空调市场占有率早已达到 98%以上，而国内的家用变

频空调行业才刚刚起步。2010 年中国国内空调市场的发展，我们将它归为两个大

的方向：“高效节能，无氟环保”。2009 年国内市场空调的销量达到 3745 万台，

同比增长 25.8%，经过 2009 年商家的大力推广和普及，变频空调在市场上由 2009

年1月份 15.8%，上升到 2009 年12 月份的 55.9%，变频高效空调由 2009 年1月

份的 13.1%上升到 12 月份的 54.5%，良好的趋势在 2010 年1月份得到了进一步的

延续。2010 年1月份变频空调的市场份额进一步增长了 28.5%，比 2009 年1月份

的份额相比增长了将近 1倍。变频高效节能产品的份额达到了 53.8%，变频高效产

品展的比重进一步提升到 17.7%。

2011 年，随着中国整体市场的持续增长和节能补贴、家电下乡、以旧换新等

惠民政策的继续实施，特别是变频空调技术的日益成熟将加快空调的更新换代。

得益于拉动内需政策的实施，

2010 年空调市场相比 2009 年基数增速较快;2011 年，

空调继续保持增长态势但增速回落，增长幅度在 6%--10%左右，未来三年内，中

国空调市场将保持 12%—16%的复合增长。而国美集团在 2011 年处于高扩张高增

长阶段，增长率将在 20%以上，高于市场水平。

智能、节能、低碳、环保、新技术空调等概念是 2011 年中国空调市场的主旋

律，由于消费者对低碳、环保、节能空调的市场需求不断增加，原来二级及以下

能效产品已经基本退出市场，变频节能空调整体价格趋于平稳，性价比更优，

2011

年变频空调已大幅提高市场占有率。

电子膨胀阀作为一种精确调节制冷剂流量的节流元件（其外形结构如图 1-1），

用于变频空调系统可提高系统冷媒控制的精度，有助于提高空调系统的能效，既

电子膨胀阀用爪极式永磁步进电机研究

有利于空调系统节能，又可改善空调环境的热舒适性。在国内，电子膨胀阀行业

十几年前就已经有高校和企业投入大量时间精力和资金进行研究生产，有部分企

业已经掌握了核心技术。但直到现在才赶上变频空调的大潮，国内大的厂家如三

花，盾安等已经进行了大量扩产。

图1-1 家用空调用电子膨胀阀

而电子膨胀阀上面的核心部件就是爪极永磁步进电机，本文所研究的电子膨

胀阀 PM 电机为四相八拍步进电机，主要由定子线圈、环形磁钢组成，定子由上

下机壳、两块中极板、线圈骨架和线圈绕组组合在一起构成爪极式结构，线圈通

电后产生的磁感应线，通过定子磁极、转子磁极形成闭合回路。其中定子爪极材

料为电工纯铁 NECC N2，线圈骨架和包封材料为一种 PPS,转子材料为环形注塑钕

铁硼。定子中间两个极板通过注塑与线圈骨架等形成一体构成防水结构，上下机

壳通过中极板的定位结构定位，与注塑结构结合，并用激光焊焊接形成定子部件。

如图 1-2 是电子膨胀阀用爪极电机结构剖面图。如何优化设计电机对电子膨胀阀运

行的稳定性，可靠性有很大帮助，同时对公司生产系列化产品提供有力的理论指

导。

图1-2 电子膨胀阀用爪极电机结构剖面图

第一章绪论

节能减排是当今世界的焦点问题。如何提高制冷空调系统的性能和效率，降

低能源消耗，确保节能目标的实现，是制冷、空调行业面临的一个重要课题。而

变频空调的电子膨胀阀节流部件恰恰实现了自动精确调节制冷剂流量，精确控制

室温，不仅高效节能，而且还可以提供一个舒适度较高的室内环境。

§1.2 爪极永磁步进电机目前的国内外先进水平

对于爪极永磁同步电机的研究较早，但国内外相关的研究文献较少，很多电

机方面的理论书籍也只是一笔带过，对于电子膨胀阀用爪极永磁步进电机的研究

更是一个较新的课题。

永磁爪极步进电动机出力大，动态性能好，且能够通过电脉冲进行精确控制

[1]。国内的唐任远[2]详尽的分析了多种类型的现代永磁步进电机运行原理、结构、

计算方法和设计特点，对永磁爪极式步进电机进行了阐述，孙雨施[3]对永磁标量磁

位计算模型和向量磁位模型进行了改进。用适当的、不随工作而改变的假想磁荷

面密度或束缚面电流密度取代体密度，在向量磁位模型中，相应地修正了磁阻率

的定义使计算和程序都得到简化。改进的模型已通过实测与计算的考验。这些模

型为永磁体转子模型的设计计算提供了宝贵的经验。夏云[4-6]简要介绍了爪极式步

进电机基础知识,又用等值磁路法把复杂的三维磁场计算化为等值磁路的办法求解

磁路，通过作图法确定磁钢工作点，计算出电机的最大静转矩。论文主要是工程

简化核算步进电机的最大静扭矩，忽略了很多不该忽略的因素，而电子膨胀阀设

计中的爪极式步进电机设计是为了优化爪极和气隙尺寸，为了最终得到较大的最

大静扭矩和比较合理的磁钢利用率，需对计算模块进行充实和拓展。邹继斌等[7]

给出一种爪极式单相永磁步进电机的数值计算方法，但结构与本课题所研究的电

机有很大区别，其中的计算方法也只能部分借鉴。夏长亮等[8]则是对四相双四拍永

磁爪极步进电机进行了稳态运行仿真，得到不同频率下电机相电流的仿真波形。

黄冬梅[9]等以静转矩解析为依据，通过对凹坑式单相永磁步进电机仿真计算，分析

了电机的相关结构参数对定位转矩和互转矩幅值的影响规律。

由于爪极形状复杂，因此漏磁的计算相当困难，且此种结构爪极铁心饱和程

度又较高，为使电机的磁路计算具有所需的精度，必须提高漏磁的计算精度。国

外的吉崇庆[10]介绍了传统永磁爪极电机转子的结构及设计特点，说明了电机结构

主要尺寸之间的关系。文献中讲述了此种电机结构组成特点——转子或定子使用

爪极结构，但爪极结构漏磁复杂且多种多样，因此，其设计分析和计算比普通永

磁电机复杂很多。而且文献尝试使用二维有限元法计算不同爪极横截面和轴剖面

上每极气隙磁通及极间漏磁场，最后得出了对设计有指导意义的一些结论。但磁

场在爪极式永磁步进电机中是三维存在的，即任何一点电枢在所有方向上的磁场

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摘要：

摘要本文主要从力矩特性方面对电子膨胀阀用爪极永磁步进电机（简称PM电机）进行了优化研究。在电机内转子结构尺寸相对固定的情况下，研究部分参数变化对电机力矩性能的影响，通过对比分析，达到设计出最优力矩性能的电子膨胀阀用PM电机的结构参数的目的。论文的主要工作包括以下几点：1.采用有限元分析软件对电子膨胀阀用爪极永磁步进电机进行数值分析计算，根据PM电机的性能需要对电机的自定位力矩和保持力矩进行了优化分析。对PM电机特性进行了分析计算，在电机转子尺寸、通电电流和定转子之间气隙保持不变的前提下，通过改变爪极形状尺寸，得出了爪极形状参数对PM电机性能的影响规律，并以此为基础对电机的爪极尺寸进行了优化设计...

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