高效冰箱壓縮機電機繞組設計及電容選型

陳曦

（華意壓縮股份有限公司 江西景德鎮 333001）

0 引言

產品技術與品質的競爭是未來競爭的重中之中。在此基礎上保障產品的可靠性和安全性，對于設計的要求也越加嚴格。

電機作為壓縮機最重要的核心部件，也是帶電部件，世界主要安全認證機構，例如UL認證、VDE認證、CCC認證等等，對壓縮機安全認證要求中，均對壓縮機電機有很高、很詳細的要求。設計師必須通過更加合理的設計，在控制成本的同時，保障壓縮機的安全，盡可能的降低產品的工藝難度，從而提高批量產品可靠性的。

1 冰箱壓縮機電機繞組設計和電容選型的安全因數及其影響

而在冰箱壓縮機電機性能設計階段，繞組參數和電容的安全因數，主要體現在三個方面，即：力矩設計、槽滿率設計、電容最大耐電電壓。

1.1 力矩設計

電機力矩直接影響壓縮機的啟動性能和過載能力。電機力矩設計不足，將導致壓縮機不啟動或啟動時間偏長，降低壓縮機過載運行能力。

壓縮機不啟動，將會是壓縮機電機處于堵轉狀態，以市場主流180~210升的冰箱，與其匹配的壓縮機堵轉電流一般可以達到5A以上，此時電機的發熱功率將接近甚至超過1000W。雖然壓縮機有熱保護器斷電保護，但是熱保護器冷卻以后依然會再次通電使電機再次堵轉。如果這種循環沒有被用戶發現，時間一長是相當危險的。

另外，壓縮機啟動時間過長，將導致耗電量增加以及繞組溫升的增加。啟動電流與啟動功率遠大于正常負載是的電流和功率。

1.2 槽滿率設計

過大槽滿率，將帶來電機生產的困難，從而增加電機隱患。主要體現在兩個方面：繞組嵌線困難、繞組整形困難，從而增加電機安全隱患。

1.2.1 繞組嵌線困難帶來的安全隱患

繞組嵌線困難時，容易電機產生批量生產漆包線漆膜損傷，俗稱破皮。

漆包線破皮，特別是漆包線槽內破皮，在破皮點相聚較遠時，是有可能通過國家準規定的耐壓測試以及絕緣測試。但是這并不意味著沒有安全隱患。根據導體同相電流相互吸引的原理，電機在通電的時候，同相繞組每匝線圈將會有收緊的趨勢，此時可能造成匝間短路。

匝間短路時，整組線圈形成兩個部分，同變壓器感應原理，極有可能在圈數少的那部分線圈感應出極大的電流，燒毀線圈。

1.2.2 繞組端部整形困難

這種情況不但容易產生漆包線擠傷槽絕緣、漆包線破皮的現象，還會使得整形尺寸不合格。更為隱蔽的隱患是電機在生產線整形尺寸合格，因為過緊的線包導致在裝配以后因漆包線回彈的特效使得端部尺寸超差。

破皮的安全隱患如同上述，端部尺寸超差必然導致壓縮機的電氣間隙和爬電距離的減小，使得壓縮機耐壓性能下降。

1.3 電容的最大耐電電壓

高效壓縮機電機設計，基本都采取電阻啟動電容運行的設計。電容最大耐電壓不足，將會燒毀電容，電容燒毀易產生明火。而電機由于處于封閉系統里，沒有助燃劑（氧氣），在沒有高電壓情況不產生電弧的情況下，只是產生較高的溫度，融化或碳化絕緣。

按照冰箱生產的環保和節能要求，R600a制冷劑是目前高效冰箱主流制冷劑。作為可燃性氣體，接觸明火的危害巨大。

電容的安全設計主要是解決好兩個參數的設計即：電容的最大耐電壓和電容的容量。選擇將導致電容成本的增加，而選擇過小則會導致燒毀電容危害安全。運行電容的選用與容量設計是否合理，也決定了壓縮機電機設計的成敗。

2 設計難點及解決辦法

2.1 高效電機力矩設計難點與應對方法

提高電機力矩的辦法有很多，例如：調整繞組參數、降低鐵芯疊厚、增大定轉子氣隙、提高運行電容容量、增加啟動電容等等。

高效電機設計中，效率和力矩是一對矛盾點。高效電機的效率往往超過80%以上。高效電機設計特點是相較中、低效電機有更大的鐵芯疊厚、更低鐵損的硅鋼、更多主繞組的有效圈數。這些設計將導致力矩的下降。

要同時滿足效率和力矩，電機疊厚、定轉子氣隙、電容容量這些方面的設計變更空間非常狹小。一般通過調整繞組參數方法達到目的。

表1 調整前后電機繞組參數

表2 兩種方案效率對比測試

常用的調整繞組參數提高力矩的方法有：增加副繞組有效圈數提高最大轉力矩、減少副繞組有效圈數提高堵轉力矩、降低主繞組有效圈數提高堵轉力矩和最大力矩、加大主副繞組線徑提高堵轉力矩和最大力矩、增加定轉子氣隙提高堵轉力矩和最大力矩。

因為高效冰箱壓縮機電機的效率，單一的采用減少主、副繞組匝數等一些辦法，常常伴隨的是效率的下降。所以要兼顧效率和力矩，必須采用增加副繞組有效圈數以及加大主、副繞組線徑的同時，綜合采用降低主繞組有效圈數的辦法。

例如：

電壓220V，頻率50Hz，運行電容4μf，無啟動電容，PTC電阻15Ω。電機繞組參數如表1，兩種方案力矩-轉速對比測試曲線如圖1所示。

兩種方案效率對比測試結果如表2所示。本次調整采用了增加副繞組有效圈數以及加大主繞組線徑的同時，綜合采用降低主繞組有效圈數的辦法提高最大力矩。

2.2 槽滿率的設計

由于電機沖片選擇的限制，設計人員無法通過增大槽面積的方法，來降低槽滿率。并且率設計的上限值，也是極難把握。

因此，校驗一款電機槽滿率電機設計是否合理，電機繞組參數設計是否可以定稿，只能通過對電機樣品做相關試驗，來判斷樣品是否產生了安全隱患，并通過小批量的試生產來檢驗。

2.2.1 槽滿率設計的破皮隱患排除

漆包線破皮，特別是漆包線槽內破皮，在破皮點相聚較遠時，是有可能通過國家準規定的耐壓測試以及絕緣測試。要排除破皮對安全帶來的隱患，最好的辦法是對壓縮機整機做加速壽命試驗，利用壓縮機連續帶電運行來考驗電機安全性，可參見文獻[1]。

另外，經驗表明，在電機批量試產時，對其進行電弧偵測（ARC）,也可以比較有效的驗證槽滿率設計是否合理。

2.3 電容安全性設計與評估

2.3.1 電容最大耐電壓選擇

我們不可能針對每一款壓縮機，針對其實際工作情況選擇不同的最大耐壓值，這樣做不但會帶來繁瑣的設計工作，而其量產時管理成本和采購價格將會增加。實踐證明，針對額定電壓選擇一定的倍數的電容最大耐壓值是最為可行的辦法。經過長期實踐，選擇倍數為1.8~2.1，是即經濟且安全的選擇。

2.3.2 電容最大耐壓值選定后的電機設計的評估

評估我們的電機設計是否滿足電容耐壓值的要求，可以通過副繞組的電流來檢驗。

根據電路原理：

Zc—電容的阻抗；Uc—電容的電壓；Ia—副繞組電流；f—電壓頻率。

從式（1）可以看出，電容實際載荷電壓受到電容容量、電源頻率、副繞組電流直接影響。當電容電壓不能滿足要求時，增加副繞組有效圈數、減小副繞組線徑、適當改變電容值是很有效的設計手段。

3 結論

高效化電機的設計要求及成本控制的要求，將極大的增加電機的設計難度。力矩、效率的不同設計，都會在一定程度上影響到產品的安全性。針對上述電機設計對安全性能的影響，合理運用相應的辦法優化電機設計，才可以保障壓縮機性能的要求能為產品的安全性提高保障，同時提高產品經濟性。

[1] 熊文華等：對GB/T9098-1996中壓縮機可靠性試驗的分析

[2] 邱關源：《電路》