高效冰箱壓縮機(jī)電機(jī)繞組設(shè)計及電容選型

陳曦

（華意壓縮股份有限公司 江西景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

產(chǎn)品技術(shù)與品質(zhì)的競爭是未來競爭的重中之中。在此基礎(chǔ)上保障產(chǎn)品的可靠性和安全性，對于設(shè)計的要求也越加嚴(yán)格。

電機(jī)作為壓縮機(jī)最重要的核心部件，也是帶電部件，世界主要安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)，例如UL認(rèn)證、VDE認(rèn)證、CCC認(rèn)證等等，對壓縮機(jī)安全認(rèn)證要求中，均對壓縮機(jī)電機(jī)有很高、很詳細(xì)的要求。設(shè)計師必須通過更加合理的設(shè)計，在控制成本的同時，保障壓縮機(jī)的安全，盡可能的降低產(chǎn)品的工藝難度，從而提高批量產(chǎn)品可靠性的。

1 冰箱壓縮機(jī)電機(jī)繞組設(shè)計和電容選型的安全因數(shù)及其影響

而在冰箱壓縮機(jī)電機(jī)性能設(shè)計階段，繞組參數(shù)和電容的安全因數(shù)，主要體現(xiàn)在三個方面，即：力矩設(shè)計、槽滿率設(shè)計、電容最大耐電電壓。

1.1 力矩設(shè)計

電機(jī)力矩直接影響壓縮機(jī)的啟動性能和過載能力。電機(jī)力矩設(shè)計不足，將導(dǎo)致壓縮機(jī)不啟動或啟動時間偏長，降低壓縮機(jī)過載運(yùn)行能力。

壓縮機(jī)不啟動，將會是壓縮機(jī)電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，以市場主流180~210升的冰箱，與其匹配的壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)電流一般可以達(dá)到5A以上，此時電機(jī)的發(fā)熱功率將接近甚至超過1000W。雖然壓縮機(jī)有熱保護(hù)器斷電保護(hù)，但是熱保護(hù)器冷卻以后依然會再次通電使電機(jī)再次堵轉(zhuǎn)。如果這種循環(huán)沒有被用戶發(fā)現(xiàn)，時間一長是相當(dāng)危險的。

另外，壓縮機(jī)啟動時間過長，將導(dǎo)致耗電量增加以及繞組溫升的增加。啟動電流與啟動功率遠(yuǎn)大于正常負(fù)載是的電流和功率。

1.2 槽滿率設(shè)計

過大槽滿率，將帶來電機(jī)生產(chǎn)的困難，從而增加電機(jī)隱患。主要體現(xiàn)在兩個方面：繞組嵌線困難、繞組整形困難，從而增加電機(jī)安全隱患。

1.2.1 繞組嵌線困難帶來的安全隱患

繞組嵌線困難時，容易電機(jī)產(chǎn)生批量生產(chǎn)漆包線漆膜損傷，俗稱破皮。

漆包線破皮，特別是漆包線槽內(nèi)破皮，在破皮點(diǎn)相聚較遠(yuǎn)時，是有可能通過國家準(zhǔn)規(guī)定的耐壓測試以及絕緣測試。但是這并不意味著沒有安全隱患。根據(jù)導(dǎo)體同相電流相互吸引的原理，電機(jī)在通電的時候，同相繞組每匝線圈將會有收緊的趨勢，此時可能造成匝間短路。

匝間短路時，整組線圈形成兩個部分，同變壓器感應(yīng)原理，極有可能在圈數(shù)少的那部分線圈感應(yīng)出極大的電流，燒毀線圈。

1.2.2 繞組端部整形困難

這種情況不但容易產(chǎn)生漆包線擠傷槽絕緣、漆包線破皮的現(xiàn)象，還會使得整形尺寸不合格。更為隱蔽的隱患是電機(jī)在生產(chǎn)線整形尺寸合格，因?yàn)檫^緊的線包導(dǎo)致在裝配以后因漆包線回彈的特效使得端部尺寸超差。

破皮的安全隱患如同上述，端部尺寸超差必然導(dǎo)致壓縮機(jī)的電氣間隙和爬電距離的減小，使得壓縮機(jī)耐壓性能下降。

1.3 電容的最大耐電電壓

高效壓縮機(jī)電機(jī)設(shè)計，基本都采取電阻啟動電容運(yùn)行的設(shè)計。電容最大耐電壓不足，將會燒毀電容，電容燒毀易產(chǎn)生明火。而電機(jī)由于處于封閉系統(tǒng)里，沒有助燃劑（氧氣），在沒有高電壓情況不產(chǎn)生電弧的情況下，只是產(chǎn)生較高的溫度，融化或碳化絕緣。

按照冰箱生產(chǎn)的環(huán)保和節(jié)能要求，R600a制冷劑是目前高效冰箱主流制冷劑。作為可燃性氣體，接觸明火的危害巨大。

電容的安全設(shè)計主要是解決好兩個參數(shù)的設(shè)計即：電容的最大耐電壓和電容的容量。選擇將導(dǎo)致電容成本的增加，而選擇過小則會導(dǎo)致燒毀電容危害安全。運(yùn)行電容的選用與容量設(shè)計是否合理，也決定了壓縮機(jī)電機(jī)設(shè)計的成敗。

2 設(shè)計難點(diǎn)及解決辦法

2.1 高效電機(jī)力矩設(shè)計難點(diǎn)與應(yīng)對方法

提高電機(jī)力矩的辦法有很多，例如：調(diào)整繞組參數(shù)、降低鐵芯疊厚、增大定轉(zhuǎn)子氣隙、提高運(yùn)行電容容量、增加啟動電容等等。

高效電機(jī)設(shè)計中，效率和力矩是一對矛盾點(diǎn)。高效電機(jī)的效率往往超過80%以上。高效電機(jī)設(shè)計特點(diǎn)是相較中、低效電機(jī)有更大的鐵芯疊厚、更低鐵損的硅鋼、更多主繞組的有效圈數(shù)。這些設(shè)計將導(dǎo)致力矩的下降。

要同時滿足效率和力矩，電機(jī)疊厚、定轉(zhuǎn)子氣隙、電容容量這些方面的設(shè)計變更空間非常狹小。一般通過調(diào)整繞組參數(shù)方法達(dá)到目的。

表1 調(diào)整前后電機(jī)繞組參數(shù)

表2 兩種方案效率對比測試

常用的調(diào)整繞組參數(shù)提高力矩的方法有：增加副繞組有效圈數(shù)提高最大轉(zhuǎn)力矩、減少副繞組有效圈數(shù)提高堵轉(zhuǎn)力矩、降低主繞組有效圈數(shù)提高堵轉(zhuǎn)力矩和最大力矩、加大主副繞組線徑提高堵轉(zhuǎn)力矩和最大力矩、增加定轉(zhuǎn)子氣隙提高堵轉(zhuǎn)力矩和最大力矩。

因?yàn)楦咝П鋲嚎s機(jī)電機(jī)的效率，單一的采用減少主、副繞組匝數(shù)等一些辦法，常常伴隨的是效率的下降。所以要兼顧效率和力矩，必須采用增加副繞組有效圈數(shù)以及加大主、副繞組線徑的同時，綜合采用降低主繞組有效圈數(shù)的辦法。

例如：

電壓220V，頻率50Hz，運(yùn)行電容4μf，無啟動電容，PTC電阻15Ω。電機(jī)繞組參數(shù)如表1，兩種方案力矩-轉(zhuǎn)速對比測試曲線如圖1所示。

兩種方案效率對比測試結(jié)果如表2所示。本次調(diào)整采用了增加副繞組有效圈數(shù)以及加大主繞組線徑的同時，綜合采用降低主繞組有效圈數(shù)的辦法提高最大力矩。

2.2 槽滿率的設(shè)計

由于電機(jī)沖片選擇的限制，設(shè)計人員無法通過增大槽面積的方法，來降低槽滿率。并且率設(shè)計的上限值，也是極難把握。

因此，校驗(yàn)一款電機(jī)槽滿率電機(jī)設(shè)計是否合理，電機(jī)繞組參數(shù)設(shè)計是否可以定稿，只能通過對電機(jī)樣品做相關(guān)試驗(yàn)，來判斷樣品是否產(chǎn)生了安全隱患，并通過小批量的試生產(chǎn)來檢驗(yàn)。

2.2.1 槽滿率設(shè)計的破皮隱患排除

漆包線破皮，特別是漆包線槽內(nèi)破皮，在破皮點(diǎn)相聚較遠(yuǎn)時，是有可能通過國家準(zhǔn)規(guī)定的耐壓測試以及絕緣測試。要排除破皮對安全帶來的隱患，最好的辦法是對壓縮機(jī)整機(jī)做加速壽命試驗(yàn)，利用壓縮機(jī)連續(xù)帶電運(yùn)行來考驗(yàn)電機(jī)安全性，可參見文獻(xiàn)[1]。

另外，經(jīng)驗(yàn)表明，在電機(jī)批量試產(chǎn)時，對其進(jìn)行電弧偵測（ARC）,也可以比較有效的驗(yàn)證槽滿率設(shè)計是否合理。

2.3 電容安全性設(shè)計與評估

2.3.1 電容最大耐電壓選擇

我們不可能針對每一款壓縮機(jī)，針對其實(shí)際工作情況選擇不同的最大耐壓值，這樣做不但會帶來繁瑣的設(shè)計工作，而其量產(chǎn)時管理成本和采購價格將會增加。實(shí)踐證明，針對額定電壓選擇一定的倍數(shù)的電容最大耐壓值是最為可行的辦法。經(jīng)過長期實(shí)踐，選擇倍數(shù)為1.8~2.1，是即經(jīng)濟(jì)且安全的選擇。

2.3.2 電容最大耐壓值選定后的電機(jī)設(shè)計的評估

評估我們的電機(jī)設(shè)計是否滿足電容耐壓值的要求，可以通過副繞組的電流來檢驗(yàn)。

根據(jù)電路原理：

Zc—電容的阻抗；Uc—電容的電壓；Ia—副繞組電流；f—電壓頻率。

從式（1）可以看出，電容實(shí)際載荷電壓受到電容容量、電源頻率、副繞組電流直接影響。當(dāng)電容電壓不能滿足要求時，增加副繞組有效圈數(shù)、減小副繞組線徑、適當(dāng)改變電容值是很有效的設(shè)計手段。

3 結(jié)論

高效化電機(jī)的設(shè)計要求及成本控制的要求，將極大的增加電機(jī)的設(shè)計難度。力矩、效率的不同設(shè)計，都會在一定程度上影響到產(chǎn)品的安全性。針對上述電機(jī)設(shè)計對安全性能的影響，合理運(yùn)用相應(yīng)的辦法優(yōu)化電機(jī)設(shè)計，才可以保障壓縮機(jī)性能的要求能為產(chǎn)品的安全性提高保障，同時提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性。

[1] 熊文華等：對GB/T9098-1996中壓縮機(jī)可靠性試驗(yàn)的分析

[2] 邱關(guān)源：《電路》