高效率空調(diào)壓縮機用單相感應(yīng)電動機分析與設(shè)計

田燕飛，陳治宇，張尊睦

(1 廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006;2 廣東美芝制冷設(shè)備有限公司，廣東佛山528333)

0 引言

“高效率電動機”是早在上個世紀(jì)70 年代初期發(fā)生“世界性能源危機”而提出來的概念。在我國Y 系列電動機為基本系列電動機，YX 系列電動機為Y 系列派生的高效率電動機，總損耗平均下降28.8%，效率平均提高3%。“節(jié)能”、“環(huán)保”被稱為當(dāng)今社會進(jìn)步和經(jīng)濟發(fā)展的兩大主題。自20 世紀(jì)90 年代以來，開發(fā)、生產(chǎn)、使用高效率電動機已經(jīng)逐步成為全球應(yīng)對“能源危機和環(huán)境污染”問題的共識［1］。

空調(diào)壓縮機用單相感應(yīng)電動機體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動小、噪聲低、可靠性高。本文著眼于探討高效率空調(diào)壓縮機用單相感應(yīng)電動機的設(shè)計理念，結(jié)合空調(diào)壓縮機對電動機的設(shè)計要求，設(shè)計了一款1 200W、3 000r/min、2 極單相感應(yīng)電動機，給出了設(shè)計思路，并且利用Ansys/Maxwell 建立了這款電動機的二維有限元仿真模型，重點優(yōu)化電動機定子沖片，對電動機定子磁密、氣隙磁密、輸出轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行仿真，并在此基礎(chǔ)上制造了樣機，完成了測功試驗，驗證了軟件的電磁設(shè)計和仿真分析的準(zhǔn)確性。

1 單相感應(yīng)電動機電磁設(shè)計

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

本方案電機的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

本方案設(shè)計的單相感應(yīng)電動機效率期望在η=85%以上。

1.2 單相電動機主要尺寸的確定

電動機的主要尺寸參數(shù)和計算功率、轉(zhuǎn)速、電磁負(fù)荷有關(guān)［2］

式中，Di1—定子內(nèi)徑;nN—額定轉(zhuǎn)速，取3 000r/min;L—鐵心長度;P—計算功率，取1.15×PN=1380W;極弧系數(shù)Kφ—氣隙磁場的波形系數(shù);KW—基波繞組系數(shù)，本款電機電磁方案采用單層和雙層混合繞組;A—電負(fù)荷，取A=170A/cm;Bδ—氣隙磁密平均值。根據(jù)電機額定功率和機殼的要求，取Di1=123mm，L=105mm。

1.2 電樞沖片的設(shè)計

空調(diào)壓縮機軛部冷媒通道指電動機定子鐵心軛部供空調(diào)壓縮機冷媒和冷卻液沿電動機軸向充分流動的通道。空調(diào)壓縮機軛部冷媒通道設(shè)計要求在電磁設(shè)計中定子沖片軛部“空出”足夠的截面積［3］。

定子沖片軛部“空出”截面積的方式(冷媒通道方式)包括在軛部切邊、切弧和開孔等方式，也可以是這些方式的組合。根據(jù)壓縮機的要求，本設(shè)計的定子切邊通氣面積要求必須為355mm2，這樣才能保證壓縮機正常工作。

(1)軛部冷媒通道型式定子軛部四切邊，直邊熱套定位，定子每個切邊通氣面積為89mm2，這樣切邊簡單、方便，如圖1 所示。

圖1 定子軛部切四邊，直邊熱套定位

(2)軛部冷媒通道型式定子軛部六切邊，直邊熱套定位，定子每個切邊通氣面積為59mm2，這樣切邊定子軛部寬度相對四切邊均勻，如圖2 所示。

圖2 定子軛部切四邊，直邊熱套定位

(3)定子軛部切弧，直邊熱套定位，每個直切邊通氣面積為59mm2，圓弧切邊面積為237mm2，這樣的定子沖片軛部寬度比四切邊和六切邊更加均勻，如圖3 所示。

圖3 定子軛部切圓弧，直邊熱套定位

該款單相感應(yīng)電機，定子軛部磁密過高，會增加鐵耗，然而要提高該款電機的效率，降低鐵耗是一個很有效的方法。根據(jù)設(shè)計要求，既要保證定子軛部冷媒通道面積，又要保證熱套定位的接觸面積，為了在電機旋轉(zhuǎn)的每一個時刻，定子軛部磁密都不至于飽和，所以設(shè)計了第三種定子沖片切邊結(jié)構(gòu)，這種沖片能夠有效地降低電機鐵耗，達(dá)到提高效率的目的。

1.3 定子大小槽配合的設(shè)計

本文設(shè)計的電動機采用大小槽結(jié)構(gòu)，定子沖片切直邊處軛部寬度明顯小于其他部分，為了使電動機軛部寬度均勻，在旋轉(zhuǎn)過程中定子軛部磁密不至于過高，該處采用小槽結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5 所示。

圖4 定子大小槽結(jié)構(gòu)

圖5 定子大小槽結(jié)構(gòu)對比

2 單相感應(yīng)電動機結(jié)構(gòu)

單相感應(yīng)電動機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表2 電動機主要參數(shù)表

將利用RMxprt 建立的電機模型導(dǎo)入Maxwell 2D 中，通過定義電動機各部分材料和邊界條件，施加激勵源和進(jìn)行網(wǎng)格剖分等步驟［4］。建立單相感應(yīng)電動機的二維有限元模型，如圖6 所示。建模過程如下:(1)根據(jù)已知參數(shù)輸入到RMxprt 模塊;(2)導(dǎo)入Maxwell 2D，建立單相無刷直流電動機的二維有限元模型;(3)確定定子、轉(zhuǎn)子沖片材料屬性，轉(zhuǎn)子鑄鋁材料;(4)確定有限元計算的剖分、激勵源及邊界條件，確定電動機求解過程中的各種損耗;(5)確定電動機額定負(fù)載、求解時間的步長、運動邊界條件等。

圖6 電動機二維模型

3 電動機有限元仿真結(jié)果及分析

3.1 電動機起動過程及穩(wěn)定運行

利用Ansys 軟件的Maxwell 2D 求解，得到樣機起動過程轉(zhuǎn)速波形如圖7 所示。從圖中可以看出電動機穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)速接近3 000r/min，且運行穩(wěn)定。從得到的樣機起動過程電磁轉(zhuǎn)矩波形(如圖8所示)可以看出電動機穩(wěn)定運行后，電動機負(fù)載轉(zhuǎn)矩平均值為3.9N·m。得到電動機起動過程電流波形如圖9 所示，起動初主繞組電流比較大，達(dá)到穩(wěn)定后主副繞組電流才接近，從圖中可以得出，穩(wěn)定后主繞組電流為4.2A，副繞組電流為3.95A。

圖7 起動過程轉(zhuǎn)速波形圖

圖8 起動過程電磁轉(zhuǎn)矩波形圖

圖9 起動過程電流波形圖

3.2 電動機磁密及鐵耗

利用軟件的Maxwell 2D 求解，得到電動機的氣隙磁密波形如圖10 所示，從圖中可以看出氣隙磁密最大值不超過1T，平均值為0.73T;電動機軛部磁密波形如圖11 所示，從圖中可以看出電動機軛部磁密最大值不超過1.5T;電動機齒部磁密如圖12 所示，從圖中可以看出電動機齒部磁密不超過1.6T。由此可知電動機定子鐵心磁密都不超過硅鋼片磁密的飽和值1.65T，滿足設(shè)計要求。

圖10 電動機氣隙磁密波形圖

圖11 電動機定子軛部磁密波形圖

圖12 電動機定子齒部磁密波形圖

通過仿真，得到電動機的鐵耗曲線如圖13 所示，計算出電動機穩(wěn)定運行時鐵耗平均值為43W。采用本設(shè)計的定子沖片和大小槽配合，很有效地減少了電動機的鐵耗，達(dá)到了提高效率的目的。

圖13 電動機鐵耗曲波形線

5 制作樣機試驗驗證

根據(jù)上述參數(shù)制作了樣機，并對樣機進(jìn)行了測試，Maxwell 2D 模型計算值和樣機試驗值比較結(jié)果如表3 所示。

表3 計算值和測試值

從表3 可以看出，用Maxwell 2D 計算的理論值跟樣機的實驗值比較接近，誤差都在5%以內(nèi)，驗證了Ansys 軟件設(shè)計的準(zhǔn)確性和本設(shè)計方案的可靠性。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一款1 200W、3 000r/min、2p 空調(diào)壓縮機用單相感應(yīng)電動機，重點對定子沖片切邊和定子大小槽配合進(jìn)行了研究。本文使用Maxwell 2D 軟件對該電動機進(jìn)行了仿真，對電動機的鐵耗進(jìn)行了分析，最后試制了樣機并進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果接近，驗證了本設(shè)計的可靠性。

［1］ 唐開山.高效節(jié)能電機技術(shù)發(fā)展動態(tài)，［J］.2010.廣西輕工業(yè)，24-26

［2］ 川平睦義［日］著;張友良，彭伯彥，譯.封閉式制冷機［M］.北京:輕工業(yè)出版社，1987.4.

［3］ 陳世坤.電機設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［4］ 李帥，彭國平.Ansoft EM 在電機設(shè)計中的應(yīng)用［J］.微電機，2004，37(74):21-24.