基于JMAG電磁仿真的空調(diào)壓縮機(jī)用永磁電機(jī)開(kāi)發(fā)

施文杰

（上海海立電器有限公司，上海 201206）

1 研究背景

本研究的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為SG直流變頻電機(jī)（殼徑112．2mm），設(shè)計(jì)來(lái)源早年的日本技提，原有設(shè)計(jì)為分布卷電機(jī)，分布卷電機(jī)因?yàn)榇艅?dòng)勢(shì)高次諧波成分小，所以具有低噪音的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于跨越幾個(gè)槽間隔卷繞，所以產(chǎn)生了無(wú)助于轉(zhuǎn)矩的線圈端部的周長(zhǎng)延長(zhǎng)，占全損耗的銅損比例增大。因此，采用在一個(gè)齒上繞線的“集中繞線”方式有利于提高電機(jī)效率以及減少電機(jī)用銅量，降低電機(jī)的整體成本。集中繞線的磁動(dòng)勢(shì)分布，在結(jié)構(gòu)上，因?yàn)橄鄬?duì)于分布繞線的正弦波呈矩形波分布，所以含有高次諧波成分。因此，有必要在高效的集中卷電機(jī)的形式下，研究新的降噪方式，達(dá)到高效、低噪音的目的。現(xiàn)有空調(diào)壓縮機(jī)的常規(guī)集中卷形式為4極6槽，為降低噪音與振動(dòng)，初步方向?yàn)樵黾与姍C(jī)極對(duì)數(shù)，以期降低電機(jī)震動(dòng)，改善電機(jī)及壓縮機(jī)整機(jī)的噪音。后續(xù)實(shí)際分析發(fā)現(xiàn)，其對(duì)整體優(yōu)化不足，因此改為在轉(zhuǎn)子上增加切邊的形式進(jìn)行改善。先期探討了9槽6極集中卷電機(jī)在壓縮機(jī)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其相對(duì)于6槽4極電機(jī)噪音改善得不明顯且效率有較顯著的下降。因此采用了轉(zhuǎn)子切邊的設(shè)計(jì)，通過(guò)J-MAG電磁場(chǎng)分析推算其對(duì)噪音改善的影響并裝機(jī)確認(rèn)。后續(xù)實(shí)際裝機(jī)分析了此款電機(jī)的實(shí)際壓縮機(jī)性能及改善噪音的情況。最終在6槽4極電機(jī)的形式下，開(kāi)發(fā)ASG集中卷電機(jī)，在保持較高效率的情況下，降低噪音。

2 電機(jī)及壓縮機(jī)效率比對(duì)

首先在D系列（107．15mm外徑）中進(jìn)行9槽6極電機(jī)的設(shè)計(jì)，探討增加電機(jī)極對(duì)數(shù)對(duì)于電機(jī)性能的影響。通過(guò)電機(jī)實(shí)機(jī)測(cè)試可見(jiàn)，在相同的工況下，9槽6極電機(jī)除了在低速高扭矩的工況下效率稍高之外，在2000及3000轉(zhuǎn)時(shí)，效率均低于6槽4極電機(jī)。根據(jù)損耗分析可見(jiàn)，隨著扭矩的增大，運(yùn)行電流增大，銅損比例增加，鐵損的比例逐漸減少。但是在高速段時(shí)，鐵損成為了主要損耗，且9槽6極電機(jī)的鐵損比例遠(yuǎn)高于6槽4極電機(jī)。由于9槽6極電機(jī)極對(duì)數(shù)為3，高于普通的6槽4極電機(jī)的2對(duì)，因此在電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)相對(duì)比較困難，限制了電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。若需要更大的電機(jī)轉(zhuǎn)速，則需相應(yīng)增加驅(qū)動(dòng)模塊的負(fù)擔(dān)及其成本。以本回檢討的9槽6極電機(jī)裝機(jī)并參照本社定格工況進(jìn)行壓縮機(jī)冷力實(shí)驗(yàn)，與原有數(shù)據(jù)比較。通過(guò)定格點(diǎn)的數(shù)據(jù)比較可知，9槽6極電機(jī)的運(yùn)行電流較大且效率平均低4～5%左右，不符合兩者電機(jī)效率的差異。由此可見(jiàn)，盡管兩者的電機(jī)效率差距不大，但是在壓縮機(jī)效率上有較大降低，采用9槽6極形式降低噪音的方式會(huì)損失較多的效率，在現(xiàn)有空調(diào)壓縮機(jī)效率要求越來(lái)越高的前提下，此方案無(wú)可實(shí)行性。需要另外尋找技術(shù)手段改善電機(jī)的噪音和震動(dòng)，且電機(jī)和壓縮機(jī)效率不可以有所下降。

3 有切邊轉(zhuǎn)子組件設(shè)計(jì)的探討與分析

（1）有切邊轉(zhuǎn)子形式。切邊形式見(jiàn)圖1。 通過(guò)在轉(zhuǎn)子鐵心上增加如圖切邊，并且在疊裝時(shí)采取分段式的方式，可以平衡轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)所受到的徑向力，減少因此引起的噪音與振動(dòng)。期待使用此方式改善電機(jī)的噪音與震動(dòng)，由于此方式對(duì)于電機(jī)整體沒(méi)有巨大的結(jié)構(gòu)性的改變，因此推測(cè)其電機(jī)效率不會(huì)有太大差異，且基本不需修改電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)備投資與適配均較方便。

圖1

（2）轉(zhuǎn)子有、無(wú)段差的電磁場(chǎng)分析。①運(yùn)行模型。在實(shí)際進(jìn)行裝機(jī)試制前，先行使用JMAG電磁仿真軟件進(jìn)行電磁場(chǎng)分析。采用此有限元方式，可以減少研發(fā)周期，且降低試制成本。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，對(duì)于各電機(jī)設(shè)計(jì)及研究部門來(lái)說(shuō)，具有很大的實(shí)用價(jià)值。定子：ASG集中卷電機(jī)定子，117匝繞線，新日鐵35H250電磁鋼板，55疊高；轉(zhuǎn)子：N42SH磁鐵（20℃），新日鐵35H250電磁鋼板，55L，有、無(wú)段差各一；測(cè)試工況：3000rpm，8A運(yùn)轉(zhuǎn)電流；使用J-MAG studio 9．0 進(jìn)行計(jì)算；使用有限元分析對(duì)以上模型進(jìn)行仿真，確認(rèn)切邊是否有實(shí)際作用。待理論驗(yàn)證后，再進(jìn)行實(shí)際裝機(jī)的最終確認(rèn)。

②發(fā)電電壓比較。使用以上模型，計(jì)算3000rpm時(shí)2種轉(zhuǎn)子使用相同定子的發(fā)電電壓。有段差轉(zhuǎn)子發(fā)電電壓：34．88V/Krpm（線電壓）；無(wú)段差轉(zhuǎn)子發(fā)電電壓：35．52V/Krpm（線電壓）。有段差轉(zhuǎn)子發(fā)電電壓下降1．8%，估計(jì)為轉(zhuǎn)子增加了切邊，因此造成實(shí)際的平均氣隙擴(kuò)大。但是其波形相對(duì)比較平滑接近正弦波。發(fā)電電壓波形更加接近正弦波的話，有利于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制，因此推測(cè)其對(duì)于電機(jī)效率的整體影響不大。

③扭矩比較。計(jì)算無(wú)偏心量、0．1mm及0．2mm偏心量時(shí)，比較2種轉(zhuǎn)子的扭矩。兩種轉(zhuǎn)子扭矩隨偏心量大小變化不大，有段差轉(zhuǎn)子平均扭矩3．85Nm，無(wú)段差轉(zhuǎn)子平均扭矩3．91Nm，下降1．5%，與發(fā)電電壓變化量相近，同樣是由于切邊增加了氣隙大小所造成。兩種轉(zhuǎn)子扭矩波形上有較大的變化，說(shuō)明段差對(duì)于電機(jī)的運(yùn)行有較明顯的影響。其對(duì)于電機(jī)效率的變化后續(xù)進(jìn)行確認(rèn)。

④偏心力比較。計(jì)算無(wú)偏心量、0．1及0．2mm偏心量時(shí)，比較2種轉(zhuǎn)子的偏心力。雖然兩種轉(zhuǎn)子的平均偏心力變化不大，但是有段差轉(zhuǎn)子峰-峰值有較明顯下降。實(shí)際仿真后得知，在偏心量為0的情況下，峰-峰值差異不大。但是一旦有了一定的偏心量（0．1或0．2mm）。電機(jī)偏心力會(huì)有較大差別。在0．1mm偏心量下，無(wú)端差的偏心力由49．858Nm降低到了44．207Nm。若偏心量增大到0．2mm的話，則其值會(huì)由97．933Nm降低到87．317Nm。由于實(shí)際裝機(jī)時(shí)無(wú)偏心量為理想狀況，實(shí)際均會(huì)有0．1到0．2mm的位移，因此可見(jiàn)，此結(jié)構(gòu)對(duì)于保持電機(jī)整機(jī)的穩(wěn)定有著明顯的優(yōu)勢(shì)。可以看出，在有偏心量時(shí)，偏心力平均值下降1．2%左右。峰-峰值有較明顯的下降，下降11%左右。由先期的J-MAG電磁場(chǎng)分析計(jì)算可以得知，由于平均氣隙增大，電機(jī)的發(fā)電電壓及扭矩均稍有下降，但是其偏心力的平均值及峰-峰值的減少也很明顯。預(yù)期電機(jī)及壓縮機(jī)效率會(huì)稍有降低，但可以達(dá)到降低噪音的目的。

4 壓縮機(jī)性能及噪音比較

（1）壓縮機(jī)冷力性能比較。由于原有進(jìn)行電磁仿真的結(jié)果表明，增加端差對(duì)于電機(jī)效率的影響不大，但是可以有效降低電機(jī)本體的噪音與振動(dòng)，因此對(duì)于本款電機(jī)，進(jìn)行實(shí)際的裝機(jī)測(cè)試，以確定轉(zhuǎn)子扭斜對(duì)其冷力性能的實(shí)際影響。根據(jù)實(shí)際壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，有、無(wú)段差品的壓縮機(jī)冷力性能大致相當(dāng)，且其二次側(cè)COP大致相當(dāng)，均為4．5左右，由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子組件的切邊對(duì)于壓縮機(jī)整機(jī)的冷力影響不大，若整機(jī)測(cè)試壓縮機(jī)噪音有所改善，即可達(dá)到原有的設(shè)計(jì)目的。

（2）壓縮機(jī)的噪音性能比較。同樣對(duì)于以上有、無(wú)段差品進(jìn)行壓縮機(jī)噪音實(shí)驗(yàn)：由實(shí)際裝機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，雖然有、無(wú)段差轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)OA值差別不大，但是段差品的振幅及振動(dòng)加速度均有較明顯的降低，與之前J-MAG電磁場(chǎng)分析的結(jié)果相符。同時(shí)，在較為關(guān)注的200～400 H z頻段，壓縮機(jī)的噪音有較明顯的改善，說(shuō)明段差品可起到改善噪音的效果。在各運(yùn)行頻率下的噪音曲線見(jiàn)圖2，可較為直觀的看出，在200～400 H z頻段，改善較為明顯。同樣為4極電機(jī)，有段差轉(zhuǎn)子此頻段的分貝值明顯低于普通品，且上升較為平緩無(wú)尖峰，對(duì)于人耳的影響較小，聽(tīng)感相對(duì)舒適。

圖2 實(shí)測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率67Hz的壓縮機(jī)OA圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了ASG集中卷電機(jī)（112．2mm殼徑）在設(shè)計(jì)過(guò)程中所探討使用的降噪措施。在設(shè)計(jì)前期首先探討使用了增加極對(duì)數(shù)的方式降低噪音，但是由于損失效率較大且噪音改善不明顯，因此改為使用轉(zhuǎn)子切邊的方法。通過(guò)J-MAG電磁場(chǎng)分析，從理論上確認(rèn)了此方法的可行性。后續(xù)通過(guò)壓縮機(jī)裝機(jī)，證明了轉(zhuǎn)子組件切邊的形式，可以達(dá)到較少損失效率的前提下有效降低噪音的目的。在研究過(guò)程中，使用了JMAG的有限元分析方式，降低了電機(jī)實(shí)際裝機(jī)和試樣的時(shí)間及金錢成本，達(dá)到了加快研究進(jìn)展、提高研究效率的目的

參考文獻(xiàn)：

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