高效率空調壓縮機用單相感應電動機分析與設計

田燕飛，陳治宇，張尊睦

(1 廣東工業大學，廣東廣州510006;2 廣東美芝制冷設備有限公司，廣東佛山528333)

0 引言

“高效率電動機”是早在上個世紀70 年代初期發生“世界性能源危機”而提出來的概念。在我國Y 系列電動機為基本系列電動機，YX 系列電動機為Y 系列派生的高效率電動機，總損耗平均下降28.8%，效率平均提高3%。“節能”、“環保”被稱為當今社會進步和經濟發展的兩大主題。自20 世紀90 年代以來，開發、生產、使用高效率電動機已經逐步成為全球應對“能源危機和環境污染”問題的共識［1］。

空調壓縮機用單相感應電動機體積小、結構簡單、運轉平穩、振動小、噪聲低、可靠性高。本文著眼于探討高效率空調壓縮機用單相感應電動機的設計理念，結合空調壓縮機對電動機的設計要求，設計了一款1 200W、3 000r/min、2 極單相感應電動機，給出了設計思路，并且利用Ansys/Maxwell 建立了這款電動機的二維有限元仿真模型，重點優化電動機定子沖片，對電動機定子磁密、氣隙磁密、輸出轉矩等進行仿真，并在此基礎上制造了樣機，完成了測功試驗，驗證了軟件的電磁設計和仿真分析的準確性。

1 單相感應電動機電磁設計

1.1 主要技術參數

本方案電機的主要技術參數如表1 所示。

表1 主要技術參數

本方案設計的單相感應電動機效率期望在η=85%以上。

1.2 單相電動機主要尺寸的確定

電動機的主要尺寸參數和計算功率、轉速、電磁負荷有關［2］

式中，Di1—定子內徑;nN—額定轉速，取3 000r/min;L—鐵心長度;P—計算功率，取1.15×PN=1380W;極弧系數Kφ—氣隙磁場的波形系數;KW—基波繞組系數，本款電機電磁方案采用單層和雙層混合繞組;A—電負荷，取A=170A/cm;Bδ—氣隙磁密平均值。根據電機額定功率和機殼的要求，取Di1=123mm，L=105mm。

1.2 電樞沖片的設計

空調壓縮機軛部冷媒通道指電動機定子鐵心軛部供空調壓縮機冷媒和冷卻液沿電動機軸向充分流動的通道。空調壓縮機軛部冷媒通道設計要求在電磁設計中定子沖片軛部“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、切弧和開孔等方式，也可以是這些方式的組合。根據壓縮機的要求，本設計的定子切邊通氣面積要求必須為355mm2，這樣才能保證壓縮機正常工作。

(1)軛部冷媒通道型式定子軛部四切邊，直邊熱套定位，定子每個切邊通氣面積為89mm2，這樣切邊簡單、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，定子每個切邊通氣面積為59mm2，這樣切邊定子軛部寬度相對四切邊均勻，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

該款單相感應電機，定子軛部磁密過高，會增加鐵耗，然而要提高該款電機的效率，降低鐵耗是一個很有效的方法。根據設計要求，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，為了在電機旋轉的每一個時刻，定子軛部磁密都不至于飽和，所以設計了第三種定子沖片切邊結構，這種沖片能夠有效地降低電機鐵耗，達到提高效率的目的。

1.3 定子大小槽配合的設計

本文設計的電動機采用大小槽結構，定子沖片切直邊處軛部寬度明顯小于其他部分，為了使電動機軛部寬度均勻，在旋轉過程中定子軛部磁密不至于過高，該處采用小槽結構，如圖4、圖5 所示。

圖4 定子大小槽結構

圖5 定子大小槽結構對比

2 單相感應電動機結構

單相感應電動機主要結構參數如表2 所示。

表2 電動機主要參數表

將利用RMxprt 建立的電機模型導入Maxwell 2D 中，通過定義電動機各部分材料和邊界條件，施加激勵源和進行網格剖分等步驟［4］。建立單相感應電動機的二維有限元模型，如圖6 所示。建模過程如下:(1)根據已知參數輸入到RMxprt 模塊;(2)導入Maxwell 2D，建立單相無刷直流電動機的二維有限元模型;(3)確定定子、轉子沖片材料屬性，轉子鑄鋁材料;(4)確定有限元計算的剖分、激勵源及邊界條件，確定電動機求解過程中的各種損耗;(5)確定電動機額定負載、求解時間的步長、運動邊界條件等。

圖6 電動機二維模型

3 電動機有限元仿真結果及分析

3.1 電動機起動過程及穩定運行

利用Ansys 軟件的Maxwell 2D 求解，得到樣機起動過程轉速波形如圖7 所示。從圖中可以看出電動機穩定運行時轉速接近3 000r/min，且運行穩定。從得到的樣機起動過程電磁轉矩波形(如圖8所示)可以看出電動機穩定運行后，電動機負載轉矩平均值為3.9N·m。得到電動機起動過程電流波形如圖9 所示，起動初主繞組電流比較大，達到穩定后主副繞組電流才接近，從圖中可以得出，穩定后主繞組電流為4.2A，副繞組電流為3.95A。

圖7 起動過程轉速波形圖

圖8 起動過程電磁轉矩波形圖

圖9 起動過程電流波形圖

3.2 電動機磁密及鐵耗

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

圖10 電動機氣隙磁密波形圖

圖11 電動機定子軛部磁密波形圖

圖12 電動機定子齒部磁密波形圖

通過仿真，得到電動機的鐵耗曲線如圖13 所示，計算出電動機穩定運行時鐵耗平均值為43W。采用本設計的定子沖片和大小槽配合，很有效地減少了電動機的鐵耗，達到了提高效率的目的。

圖13 電動機鐵耗曲波形線

5 制作樣機試驗驗證

根據上述參數制作了樣機，并對樣機進行了測試，Maxwell 2D 模型計算值和樣機試驗值比較結果如表3 所示。

表3 計算值和測試值

從表3 可以看出，用Maxwell 2D 計算的理論值跟樣機的實驗值比較接近，誤差都在5%以內，驗證了Ansys 軟件設計的準確性和本設計方案的可靠性。

5 結語

本文設計了一款1 200W、3 000r/min、2p 空調壓縮機用單相感應電動機，重點對定子沖片切邊和定子大小槽配合進行了研究。本文使用Maxwell 2D 軟件對該電動機進行了仿真，對電動機的鐵耗進行了分析，最后試制了樣機并進行試驗，試驗結果與仿真結果接近，驗證了本設計的可靠性。

［1］ 唐開山.高效節能電機技術發展動態，［J］.2010.廣西輕工業，24-26

［2］ 川平睦義［日］著;張友良，彭伯彥，譯.封閉式制冷機［M］.北京:輕工業出版社，1987.4.

［3］ 陳世坤.電機設計［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［4］ 李帥，彭國平.Ansoft EM 在電機設計中的應用［J］.微電機，2004，37(74):21-24.