空调器风扇用电动机的设计及其转速控制分析

空调器风扇用电动机的设计及其转速控制分析

樊学敏

广东威灵电机制造有限公司广东佛山528311

摘要：我国空调器风扇用电动机已逐步形成系列,由于空调器甘电机有一定特珠要求,故对其设计,制造及拉制提出了新的课题。本文就空调器风扇电动机的结构及其负载运行特点,从理论上进行分析,并研究改进转速控制方法。

关键词：电动机；设计；感应电动机；转速；控制

引言：

中国空调器产业经过了二十多年的迅猛发展,现已在全球取得了显赫地位。论市场消费总量,中国市场需求量名列前茅,市场潜力巨大;论生产供给能力,中国已成为世界家电加工制造车间。但是,随着销售市场的急剧扩大,各大空调器厂家的竞争日益激烈,几乎每年都要进行一次价格大战;相应的空调器用风扇电动机价格也一降再降,同时钢、铜、铝等原材料价格却不断上涨。因此对每款空调器用风扇电动机进行优化设计,降低有效材料的消耗,降低电动机的生产成本,成为各空调器用风扇电动机生产厂家的当务之急。

1空调器用风扇电动机的结构

目前,普通空调器用风扇电动机大多为单相异步电容运转电动机,外壳采用全钢板拉伸结构,户内空调器用电动机防护等级为IPX0(开启式结构),户外空调器用电动机防护等级为IPX4(全封闭式结构),轴承采用进口轴承(NMB或NSK)[1]。电动机具有体积小、噪声低、功率因数高、外形美观、维护方便、运行可靠等优点。

2优化设计实施方案和降低噪声的措施

定子嵌线采用自动绕线机,大大提高了劳动生产率以及产品合格率,减小了端部损耗,提高了铜线的利用率,有效地降低了电动机的铜耗,从而使电机效率提高[2]。定转子槽配合采用超常规远槽配合,转子槽采用闭口槽、小槽形和小端环等特殊设计方法,提高电动机的绕组系数,降低杂散损耗,提高堵转转矩、降低堵转电流。

针对电动机噪声过大,甚至损坏轴承这一问题,采取增加拉伸次数,减小材料回弹量,并采用硬质合金模具及优质润滑液冷却模具,减少模具的磨损,对轴承室特殊工序处理等措施,有效地降低了电动机的机械噪声。根据电动机的轴承小、转轴细的特点和工艺性,轴承与转轴配合采用小间隙配合的新技术,既安装方便提高了工效,又避免了传统的过盈配合造成轴承受外力影响而产生变形,引起噪声增大的现象。为减轻轴承与钢壳相擦,轴向增加硬纸板垫圈,通过调整硬纸板垫圈来保证轴向尺寸达到最佳状态,减小了电动机的振动和噪声。

3新型感应电动机的基本结构与工作原理

针对新型感应电动机转速自适应控制方法研究，需先对其基本结构进行分析，再从工作原理入手，为自适应控制方法研究提供理论支持。

3.1基本结构

从结构上看，新型感应电动机主要是由定子、转子等组件构成的。定子结构与以往感应电动机结构基本一致，都是由导磁铁芯、电枢绕组、固定部件组成的。为了减少铁损耗，采用硅钢片堆叠而成铁芯，在每次堆叠时，都是按照缝隙错开放置的，能够有效减少铁芯损耗，一旦有三相电流输入时，就会产生旋转磁场。转子结构的存在，使新型感应电动机与其他电机存在本质上的差别，当转子上放置永磁材料制成的永磁体时，电动机的气隙中会产生强大磁场，贴附在导磁轭上。用永磁体作为转子，可有效降低转子转动惯量，简化了电动机结构，提高工作效率。

3.2工作原理

对新型感应电动机的控制，需通过矢量变换将电动机内部组件建立等效关系，使电动机能够按照该模式进行控制。按照内置式转子结构，在两相旋转坐标系上，计算转矩控制方程[3]。在保持转子磁链不变条件下，电动机转矩是由电流励磁分量决定的，如果输入电流恒定，转矩与工作频率是成正比例关系的，因此，可以使用工作频率来代替转矩控制。以转速调速器输出为定子电流转矩分量，通过调节该分量控制定子电流励磁分量，由此保证转子磁链恒定。根据该工作原理与基本结构，采用单神经元PID转速自适应方法进行控制研究。

4基于单神经元PID转速自适应控制方法研究

单神经元具有自适应能力，结构简单，在一定程度上能够解决以往调节器不易在线调节能力。以电动机为控制对象，其基本结构虽是确定的，但对象参数却难以测定，大部分参数都是随着电动机工作而发生改变，因此，在基本结构基础上，研究工作原理，能够消除参数扰动影响。

4.1自适应控制摩擦力矩补偿

反推自适应控制摩擦力矩补偿策略是将负载与摩擦分开，具有针对性的补偿。整个控制部分采用双闭环结构，内部以跟踪性能为主，由1个内环组成；而外部则以抗干扰性为主，由2个外环组成。由于电动机在工作过程中，可能会随着温度、材料磨损和接触面等情况无法准确获取摩擦系数，因此，应假设信号采集过程中负载矩阵和摩擦系数是未知的正的常数。对于自适应控制摩擦力矩补偿内容，如下所示：

步骤一：定义速度跟踪误差；步骤二：求导速度跟踪误差，得到负载矩阵和摩擦系数；步骤三：选择一条路径上的电流为虚拟控制量，确定该条路径电流期望值。为了处理系统动态结构中的不同物理偏移量，选用两个非线性观测器预估当前状态变量，得到相应估计值；步骤四：增设观测器补偿项，确定其大小，并计算实际值与观测值的误差；步骤五：令转速控制器输出为电流给定的虚拟控制量，根据该控制量，将虚拟控制器可看作两部分，一个是常规控制器，另一个是摩擦力矩补偿器；步骤六：不考虑摩擦力矩，直接进行专门补偿，可在常规控制器基础上叠加摩擦力矩补偿项，进而达到对摩擦力矩的抑制[4]。

4.2控制方案的实现

抑制摩擦力矩，保证方案研究不会受到干扰影响，对于新型感应电动机按照转子磁场定向控制转速，实现控制方案。具体实现过程如下所示：

1）比较转速指令和实际测得的反馈指令大小，获取的差值信号传送到速度调节器之中，能够得到输出磁链给定信号；

2）比较输出磁链给定信号和转矩电流信号大小，获取的差值信号传送到转矩调节器之中，经过电压转换器转换，能够得到转矩控制信号；

3）比较磁链给定信号和磁链电流信号大小，获取的差值信号传送到入磁链调节之中，经过电流转换器转换，能够得到磁链控制信；

4）将转矩控制信号和磁链控制信号传送至逆变器，经过逆变器可得到两个输入变量；

5）将输入变量输入到控制器之中，并由不同电路输出脉冲信号，以此控制新型感应电动机转速。

在整个控制环节中，存在3个控制路径，分别是速度环控制、磁链环控制和转矩内环控制。虽然内环具有多环结构，而起到决定性影响的还是外环，因此，采用单神经元PID方案控制速度环和磁链环，使用传统控制方案控制转矩内环。采用传统控制方案能够改造对象特性，而各种扰动给内环带来的影响可由外环控制，且外环采样频率较低，方便智能控制方案的实现。

结束语：

上述优化方法及结构原理是在空调器用风扇电动机设计中对电动机设计及转速的控制分析的一个总结,是结合单相电容运转电动机的最佳运行状态,定性地提供一些优化设计方法,是应用单神经元PID自适应控制方法，综合其他控制方法，实现自适应控制方法。以供参考。

参考文献：

[1]洪广焦.基于共享RAM的电动机保护装置的设计[J].电子测试,2018(21):5-7+16.

[2]邵国安.伺服电动机转轴智能生产线设计[J].金属加工(冷加工),2018(11):68-71.

[3]张永平,段小丽,郭英桂,刘慧玲.基于GA-PSA的纺织用永磁同步电动机优化设计[J].微特电机,2018,46(11):79-81+86.

[4]周震.基于LM3108K的交流电动机电压故障保护实验系统设计[J].电工技术,2018(20):117-119.