空調壓縮機永磁同步電機效率改善方法探討

張永勝

樂金電子（天津）電器有限公司 天津 300400

隨著人民生活水平日益提高，空調作為提高生活舒適度的“調節利器”，已經成為家庭必備的電器之一。但同時空調已經成為耗電大戶。隨著環境、氣候問題的日益突出，節能降耗已成為共識，空調能效提升也是趨勢使然，2020年，新的空調能效標準發布，被稱為“史上最嚴”能效標準，能效提高14%，定頻和變頻標準合二為一[1]。為了適應提效的要求，空調必然朝高效化和變頻化的方向發展。電機作為空調最主要的耗能部件，效率提升，則最最為關鍵。可以預見，隨著新標準的實施，永磁同步電機的應用比重將會快速上升。提高永磁同步電機的效率，成為行業內的重大課題。本文從空調壓縮機永磁同步電機的應用特點出發，分析了電機的損耗及影響因素，進而提出改善電機效率的方法。

1 空調壓縮機永磁同步電機的結構及特點

空調壓縮機永磁同步電機本體主要由定子，轉子組成，定子主要為三相Y型繞組，分為分布式繞組和集中式繞組，集中式繞組因銅損低，近年來成為主流，轉子依磁鐵種類可分為鐵氧體和釹鐵硼，釹鐵硼性性價比更高，應用更廣泛。

永磁同步電機根據應用環境及技術要求，呈如下特點及發展趨勢：

高可靠性、長壽命；

高效率；

低振動噪音；

高功率密度。

2 永磁電機損耗分析

電機的效率計算的公式

式中PN 為輸出功率，∑P為總損耗，PCu為銅損，PFe為鐵損，Pad雜散損耗，Pm為機械損耗；

損耗當中，銅損、鐵損是主要部分，占總損耗80%以上，雜散損耗和機械損耗占比較小，下面對各損耗影響因素進行分析。

2.1 銅損

銅損的計算公式 PCu=3I2R

式中I為繞組電流，R為相電阻。

減小銅損的方法就是要減小電流和電阻，常用的方法有1）增加氣隙磁通密度；2）增加導體面積，減小端部導體長度；3）提高槽滿率[2]。

2.2 鐵損

鐵損的計算公式為 PFe=Ph+Pe+Pex=KhfBα+Kef2B2+Kex（fB）3/2

式中，Ph為磁滯損耗，Khα為磁滯損耗系數，與硅鋼材料質量相關；

Pe為渦流損耗，Ke為渦流損耗系數，與硅鋼厚度、電阻率等相關；

Pex為雜散損耗，Kex為雜散損耗系數；

B，f，為磁密和交變頻率；

鐵損主要與鐵芯的磁密和硅鋼的質量相關，常用的減小方法有：①合理設計鐵芯的磁密；②選用性能較好厚度小的硅鋼材料。

2.3 機械損耗和雜散損耗

機械損耗主要是轉軸與軸承之間的摩擦損耗產生，與安裝結構相關。

雜散損耗與電機定子電流、轉子漏磁及諧波磁場相關，目前無準確就算方法，一般認為，通過合理的設計減小氣隙磁密的諧波，就可以有效減小雜散損耗[3]。

3 電機效率的改善

如上所述，電機效率改善就是要降低損耗，特別是降低電機主要的損耗——銅損和鐵損，本文針對1.5HP壓縮機電機進行效率改善（電機的模型見圖1，參數如表1）。

槽/極數 9/6定子外徑 90mm轉子外徑 48.82mm氣隙長度 0.6mm額定轉矩 2.0Nm

圖1 電機模型表1電機主要參數

3.1 使用高牌號硅鋼降低鐵損

目前永磁電機主流使用的硅鋼為厚度0.35mm、鐵損2.5W/Kg，磁感1.67T，隨著硅鋼技術及軋鋼技術的發展，硅鋼性能有了很大提高。表2是對兩款磁鋼進行比較實驗的結果，使用高牌號硅鋼，鐵損有很大的下降，因為磁感變化不大，所以銅損基本持平，效率有0.8%的改善，同時成本方面，在疊厚下降5mm的時，效率略有改善，但成本有4%下降，見表2。

3.2 采用高牌號釹鐵硼改善銅損

隨著釹鐵硼重稀土滲透等技術的應用，釹鐵硼的性能有了很大的發展。表3是對一款最新高性能釹鐵硼54SHT進行的電機比較試驗，剩磁提升，電機銅損大幅下降，效率提升0.6%，且內稟矯頑力提高較多，在保證退磁可靠的前提下，將磁鋼厚度減小，降低成本。

3.3 采用新的鐵芯結構降低端部繞組長度

減小端部繞組是最有效的減小銅損和成本的方法。

將鐵芯齒部設計成臺階式，如圖2所示，就可以在保持絕緣物強度的同時縮短繞線長度，這樣的結構在級進沖壓工藝上不難實現。該結構可使定子銅損和電磁線成本可以下降2%-5%。

圖2 臺階式定子

表2 硅鋼牌號比較實驗結果（60Hz）

表3 釹鐵硼比較實驗結果（60Hz）

4 結語

從空調行業能效等級提高要求看，效率提高是必然要求。本文從空調壓縮機永磁同步電機的特點出發，分析了電機的損耗以及改善方法，進而提出通過應用高性能硅鋼和磁鋼進行效率提升，也提出了成本平衡改進的措施，最后提出一種減小繞組端部長度的方法，銅損及成本均有下降。