熱泵用渦旋壓縮機電機的改進設計

（江森自控日立萬寶壓縮機（廣州）有限公司，廣東廣州 510900）

0 引言

在對熱泵用渦旋壓縮機電機進行優(yōu)化的過程中，應當基于熱泵用渦旋壓縮機在實際運行過程中存在的特點來進行分析，從而基于其與運行過程中的實際性能要求與表現(xiàn)來完成對壓縮電機的設計優(yōu)化與改進。

1 熱泵用渦旋壓縮機的運行特點

從工作原理上進行分析可以發(fā)現(xiàn)，主要使用熱泵用渦旋壓縮機來完成相關工作的熱泵熱水器與常規(guī)空調器、制冷機組之間并無較大的差異，都是基于熱力學第二定律的運用，通過壓縮機完成做功，以此來進行熱量的吸收與釋放。而對熱泵用渦旋壓縮機的運行特點進行分析的過程中，應當注意的是由于其與空調在應用領域之間存在的明顯差異，這也使得其在實際應用與設計的過程中與空調存在著區(qū)別[1]。比如，熱泵用渦旋壓縮機在使用的過程中，通常具有全年運行時間長、冷凝溫度高、冬季運行壓比高的特點。同時，在對熱泵用渦旋壓縮機的轉矩與運行范圍進行分析的過程中，基于十馬力空調壓縮機與熱泵用渦旋壓縮機之間的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，其額定轉矩雖然有所重疊，但熱泵用渦旋壓縮的電機轉矩在整體上要高于空調用渦旋壓縮機的10%，并且運行范圍內的熱泵壓縮機在運行的過程中對電機所帶來的影響也更加的明顯。

2 三相永磁同步電動機的結構特征

在現(xiàn)階段熱泵用渦旋壓縮機中，其所使用的電機通常為交流異步電動機，而這類電動機在結構設計上是基于對定子繞組、轉子鼠籠繞組之間所形成磁場的相互作用而實現(xiàn)其自身的啟動與運行的。由于轉子鼠籠繞組勵磁損耗的存在，使用該類電機熱泵用渦旋壓縮機運行效率不高。

采用三相永磁同步電機的熱泵壓縮機，其定子結構等同于交流異步電機定子，轉子無鼠籠繞組，其鐵芯內置高效釹鐵硼永磁體形成轉子磁極。其運行原理為：當電動機處于靜止時，在定子繞組中通入三相對稱電流，在通入電流后就會在定子繞組中形成相應的旋轉磁場。由于在轉子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，根據(jù)磁極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產生的旋轉磁場會帶動轉子進行旋轉，最終達到轉子的旋轉速度與定子中產生的旋轉磁極的轉速相等，此時電動機進入到同步運行的狀態(tài)。當上述定子繞組通入的三相電流由變頻器調制而成，定子繞組中形成的旋轉磁場速度變得可控，電機轉速變得可調。此時電機即為變頻調速永磁同步電機。因此從結構特點進行分析可以發(fā)現(xiàn)，永磁同步電動機的運行是基于轉子永磁體和定子繞組產生的磁場相互作用產生驅動轉矩對外輸出做功。而這種結構特點也使得永磁同步電動機自身具有損耗低、溫升低、功率因數(shù)高、效率高、功率密度高、振動噪音低的特點。

3 熱泵用渦旋壓縮機電機的改進設計

3.1 電機優(yōu)化設計思路

結合三相永磁同步電機運行特點進行分析可以發(fā)現(xiàn)，對三相永磁同步電機進行進一步優(yōu)化的關鍵點在于把握熱泵用渦旋壓縮機的運行特點。現(xiàn)將一款十馬力熱泵壓縮機電機作為基礎，通過對壓縮機和電機分析，來實現(xiàn)對熱泵壓縮機電機的全面設計與優(yōu)化[2]。與空調用壓縮機電機相比，熱泵用渦旋壓縮機由于其運行特點，其電機運行環(huán)境更加惡劣。故針對熱泵用電機的設計優(yōu)化重點放在了電機絕緣等級優(yōu)化與電機轉矩的提升上。以我司某款熱泵用渦旋壓縮機電機作出的改進設計為例，其采取在絕緣等級優(yōu)化與電機轉矩的增大上分別采取了以下措施：

（1）絕緣等級優(yōu)化。在該案例中設計人員首先根據(jù)熱泵熱水器用壓縮機全年運行時間較長，且冬季高壓運行、環(huán)境溫度低、冷媒流量小、線圈溫度容易過高；夏季高負荷運行、蒸發(fā)溫度很高、冷媒流量大、壓縮機負荷大的特點，從絕緣等級綜合性提升出發(fā)進行優(yōu)化，以防止電機絕緣容易老化而導致壓縮機使用壽命受影響的問題。在進行設計優(yōu)化的過程中，首先應當注意的是由于電機內部的絕緣材料存在著一定的差異，并且所能夠承擔的溫度限值也是不同的。從國際電工協(xié)會的規(guī)定來看，絕緣材料被劃分為了7個等級，而在我國電機設計中應用較為普遍的為其中105、120、130、155、180等級。從熱泵用渦旋壓縮機自身發(fā)熱對絕緣壽命帶來的影響來看，當設備的絕緣在熱泵用渦旋壓縮機的額定溫度限值下持續(xù)運行的合理壽命平均在7年以內，由此根據(jù)相應的公式進行計算后可以發(fā)現(xiàn)，當電機設計的絕緣等級為130、155、180時，其以相應的溫度上升值大約為10℃、12℃、14℃，而在這種情況下電機的綜合使用壽命會下降至原使用壽命的一半左右?？照{用渦旋壓縮機電機，其所采取的絕緣等級設計通常為120級，電機的耐熱溫度為120℃，在對其進行優(yōu)化改良的過程中，出于提高熱泵用渦旋壓縮機電機綜合使用壽命的目的，在進行優(yōu)化設計的過程中，采取了將電機絕緣等級提升至155級的措施，令電機的耐熱溫度到達了155℃，從而使其自身在使用的過程中可以良好地承受熱泵用渦旋壓縮機運行過程中產生的熱量，以保障自身運行的穩(wěn)定性。

（2）最大轉矩提升。在對熱泵用渦旋壓縮機進行設計優(yōu)化的過程中，從電機的匝數(shù)與輸出功率之間關系進行分析可以發(fā)現(xiàn)，電機的匝數(shù)與電機的軸輸出功率之間是反比關系。因此，在提升電機軸輸出的過程中，應適當對電機的匝數(shù)進行削減，同時適當增大線徑，保證電機運行效率。對于永磁同步電機，電機輸出功率還與磁通量大小成正比，因此可適當選取更高牌號的釹鐵硼磁鐵，提高電機主磁通，進而增大電機輸出力矩。在進行優(yōu)化的過程中，對電機最大轉矩進行提升的目的主要在于實現(xiàn)對電機出力范圍的提升，從而使熱泵用渦旋壓縮機電機的運行效率得到保障，并實現(xiàn)了對電機發(fā)熱量的有效控制，令電機的運行更加平穩(wěn)。此外，在對熱泵用渦旋壓縮機電機進行優(yōu)化的過程中，現(xiàn)階段的研究往往會基于其自身的電機轉矩特性出發(fā)，對熱泵用渦旋壓縮機結構設計進行不斷的嘗試與革新。例如，在技術優(yōu)化的過程中，為了有效解決槽寬與齒部寬度之間存在的矛盾，而采取了橫向磁通電技術，如此一來，電機內部的電樞線圈便可以實現(xiàn)與齒槽結構在空間上的垂直，以此使主磁能夠沿著電機的軸向進行流通，使電機的功率密度得到了大幅度提升。當然也可以通過轉子結構優(yōu)化，優(yōu)化電機磁路，以此增大永磁同步電機轉子凸極比,提升電機磁阻轉矩，也可使電機輸出轉矩大幅提升。

3.2 仿真試驗分析

為了對案例設計優(yōu)化方向的可行性進行判定，確保熱泵用渦旋壓縮機電機在經過優(yōu)化后的綜合效率能夠得到保障，其在對設計方案進行優(yōu)化的過程中，采取了有限元軟件磁場分析計算與實際電機試制試驗兩種方法進行了案例設計方案的綜合判斷[3]。而在基于有限元軟件磁場進行仿真計算得到相應的電機磁場密度云圖后，采用試制電機，在380V/50Hz條件下進行了性能實驗，并且在性能實驗中所使用的是具有轉動慣量低、高精度伺服馬達對拖式測功機。在完成性能實驗后，結合仿真實驗的結果與相同容量的空調壓縮機電機樣機進行對比后可以發(fā)現(xiàn)，仿真實驗與樣機實測的結果均表明熱泵用渦旋壓縮機電機的輸出要高于同功率下的空調壓縮機。例如，以樣機實測所得的結果進行對比后可以發(fā)現(xiàn)，熱泵壓縮機電機與同功率的空調壓縮機用電機相比，熱泵用渦旋壓縮機電機在最高效率上提升了4.13%，而電機的最大轉矩增大了15.38%，電機高效率運行范圍由46.8%提升到81.3%。

4 結語

綜上所述，結合熱泵用渦旋壓縮機的運行特點以及其所使用的三相永磁同步電動機的結構進行判斷可以發(fā)現(xiàn)，在對其進行系統(tǒng)優(yōu)化與改進的過程中，應當基于其自身的結構特點，配合對絕緣等級與最大轉矩的綜合優(yōu)化調控，來保障熱泵用渦旋壓縮機電機的運行質量與效率，使改進設計的整體效果得到保障。