高效率空調(diào)壓縮機(jī)用單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)分析與設(shè)計(jì)

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(dòng)機(jī)”是早在上個(gè)世紀(jì)70 年代初期發(fā)生“世界性能源危機(jī)”而提出來(lái)的概念。在我國(guó)Y 系列電動(dòng)機(jī)為基本系列電動(dòng)機(jī)，YX 系列電動(dòng)機(jī)為Y 系列派生的高效率電動(dòng)機(jī)，總損耗平均下降28.8%，效率平均提高3%?！肮?jié)能”、“環(huán)?！北环Q為當(dāng)今社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的兩大主題。自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、使用高效率電動(dòng)機(jī)已經(jīng)逐步成為全球應(yīng)對(duì)“能源危機(jī)和環(huán)境污染”問(wèn)題的共識(shí)［1］。

空調(diào)壓縮機(jī)用單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪聲低、可靠性高。本文著眼于探討高效率空調(diào)壓縮機(jī)用單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合空調(diào)壓縮機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一款1 200W、3 000r/min、2 極單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，給出了設(shè)計(jì)思路，并且利用Ansys/Maxwell 建立了這款電動(dòng)機(jī)的二維有限元仿真模型，重點(diǎn)優(yōu)化電動(dòng)機(jī)定子沖片，對(duì)電動(dòng)機(jī)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(jī)，完成了測(cè)功試驗(yàn)，驗(yàn)證了軟件的電磁設(shè)計(jì)和仿真分析的準(zhǔn)確性。

1 單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

本方案電機(jī)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(jì)的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率期望在η=85%以上。

1.2 單相電動(dòng)機(jī)主要尺寸的確定

電動(dòng)機(jī)的主要尺寸參數(shù)和計(jì)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(zhǎng)度;P—計(jì)算功率，取1.15×PN=1380W;極弧系數(shù)Kφ—?dú)庀洞艌?chǎng)的波形系數(shù);KW—基波繞組系數(shù)，本款電機(jī)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—?dú)庀洞琶芷骄?。根?jù)電機(jī)額定功率和機(jī)殼的要求，取Di1=123mm，L=105mm。

1.2 電樞沖片的設(shè)計(jì)

空調(diào)壓縮機(jī)軛部冷媒通道指電動(dòng)機(jī)定子鐵心軛部供空調(diào)壓縮機(jī)冷媒和冷卻液沿電動(dòng)機(jī)軸向充分流動(dòng)的通道?？照{(diào)壓縮機(jī)軛部冷媒通道設(shè)計(jì)要求在電磁設(shè)計(jì)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(kāi)孔等方式，也可以是這些方式的組合。根據(jù)壓縮機(jī)的要求，本設(shè)計(jì)的定子切邊通氣面積要求必須為355mm2，這樣才能保證壓縮機(jī)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(gè)切邊通氣面積為89mm2，這樣切邊簡(jiǎn)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(gè)切邊通氣面積為59mm2，這樣切邊定子軛部寬度相對(duì)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(gè)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(jī)，定子軛部磁密過(guò)高，會(huì)增加鐵耗，然而要提高該款電機(jī)的效率，降低鐵耗是一個(gè)很有效的方法。根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)旋轉(zhuǎn)的每一個(gè)時(shí)刻，定子軛部磁密都不至于飽和，所以設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)軛部寬度均勻，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中定子軛部磁密不至于過(guò)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(duì)比

2 單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表2 電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)表

將利用RMxprt 建立的電機(jī)模型導(dǎo)入Maxwell 2D 中，通過(guò)定義電動(dòng)機(jī)各部分材料和邊界條件，施加激勵(lì)源和進(jìn)行網(wǎng)格剖分等步驟［4］。建立單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的二維有限元模型，如圖6 所示。建模過(guò)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(jì)算的剖分、激勵(lì)源及邊界條件，確定電動(dòng)機(jī)求解過(guò)程中的各種損耗;(5)確定電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載、求解時(shí)間的步長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)邊界條件等。

圖6 電動(dòng)機(jī)二維模型

3 電動(dòng)機(jī)有限元仿真結(jié)果及分析

3.1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程及穩(wěn)定運(yùn)行

利用Ansys 軟件的Maxwell 2D 求解，得到樣機(jī)起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速波形如圖7 所示。從圖中可以看出電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速接近3 000r/min，且運(yùn)行穩(wěn)定。從得到的樣機(jī)起動(dòng)過(guò)程電磁轉(zhuǎn)矩波形(如圖8所示)可以看出電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩平均值為3.9N·m。得到電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程電流波形如圖9 所示，起動(dòng)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(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速波形圖

圖8 起動(dòng)過(guò)程電磁轉(zhuǎn)矩波形圖

圖9 起動(dòng)過(guò)程電流波形圖

3.2 電動(dòng)機(jī)磁密及鐵耗

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

圖10 電動(dòng)機(jī)氣隙磁密波形圖

圖11 電動(dòng)機(jī)定子軛部磁密波形圖

圖12 電動(dòng)機(jī)定子齒部磁密波形圖

通過(guò)仿真，得到電動(dòng)機(jī)的鐵耗曲線如圖13 所示，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)鐵耗平均值為43W。采用本設(shè)計(jì)的定子沖片和大小槽配合，很有效地減少了電動(dòng)機(jī)的鐵耗，達(dá)到了提高效率的目的。

圖13 電動(dòng)機(jī)鐵耗曲波形線

5 制作樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述參數(shù)制作了樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，Maxwell 2D 模型計(jì)算值和樣機(jī)試驗(yàn)值比較結(jié)果如表3 所示。

表3 計(jì)算值和測(cè)試值

從表3 可以看出，用Maxwell 2D 計(jì)算的理論值跟樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)值比較接近，誤差都在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了Ansys 軟件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和本設(shè)計(jì)方案的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款1 200W、3 000r/min、2p 空調(diào)壓縮機(jī)用單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，重點(diǎn)對(duì)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(duì)該電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了仿真，對(duì)電動(dòng)機(jī)的鐵耗進(jìn)行了分析，最后試制了樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果接近，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可靠性。

［1］ 唐開(kāi)山.高效節(jié)能電機(jī)技術(shù)發(fā)展動(dòng)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(jī)［M］.北京:輕工業(yè)出版社，1987.4.

［3］ 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［4］ 李帥，彭國(guó)平.Ansoft EM 在電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.微電機(jī)，2004，37(74):21-24.