熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

（江森自控日立萬(wàn)寶壓縮機(jī)（廣州）有限公司，廣東廣州 510900）

0 引言

在對(duì)熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)基于熱泵用渦旋壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分析，從而基于其與運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際性能要求與表現(xiàn)來(lái)完成對(duì)壓縮電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與改進(jìn)。

1 熱泵用渦旋壓縮機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)

從工作原理上進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，主要使用熱泵用渦旋壓縮機(jī)來(lái)完成相關(guān)工作的熱泵熱水器與常規(guī)空調(diào)器、制冷機(jī)組之間并無(wú)較大的差異，都是基于熱力學(xué)第二定律的運(yùn)用，通過(guò)壓縮機(jī)完成做功，以此來(lái)進(jìn)行熱量的吸收與釋放。而對(duì)熱泵用渦旋壓縮機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意的是由于其與空調(diào)在應(yīng)用領(lǐng)域之間存在的明顯差異，這也使得其在實(shí)際應(yīng)用與設(shè)計(jì)的過(guò)程中與空調(diào)存在著區(qū)別[1]。比如，熱泵用渦旋壓縮機(jī)在使用的過(guò)程中，通常具有全年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、冷凝溫度高、冬季運(yùn)行壓比高的特點(diǎn)。同時(shí)，在對(duì)熱泵用渦旋壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行范圍進(jìn)行分析的過(guò)程中，基于十馬力空調(diào)壓縮機(jī)與熱泵用渦旋壓縮機(jī)之間的對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，其額定轉(zhuǎn)矩雖然有所重疊，但熱泵用渦旋壓縮的電機(jī)轉(zhuǎn)矩在整體上要高于空調(diào)用渦旋壓縮機(jī)的10%，并且運(yùn)行范圍內(nèi)的熱泵壓縮機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中對(duì)電機(jī)所帶來(lái)的影響也更加的明顯。

2 三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征

在現(xiàn)階段熱泵用渦旋壓縮機(jī)中，其所使用的電機(jī)通常為交流異步電動(dòng)機(jī)，而這類(lèi)電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是基于對(duì)定子繞組、轉(zhuǎn)子鼠籠繞組之間所形成磁場(chǎng)的相互作用而實(shí)現(xiàn)其自身的啟動(dòng)與運(yùn)行的。由于轉(zhuǎn)子鼠籠繞組勵(lì)磁損耗的存在，使用該類(lèi)電機(jī)熱泵用渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行效率不高。

采用三相永磁同步電機(jī)的熱泵壓縮機(jī)，其定子結(jié)構(gòu)等同于交流異步電機(jī)定子，轉(zhuǎn)子無(wú)鼠籠繞組，其鐵芯內(nèi)置高效釹鐵硼永磁體形成轉(zhuǎn)子磁極。其運(yùn)行原理為：當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于靜止時(shí)，在定子繞組中通入三相對(duì)稱(chēng)電流，在通入電流后就會(huì)在定子繞組中形成相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于在轉(zhuǎn)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(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相等，此時(shí)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入到同步運(yùn)行的狀態(tài)。當(dāng)上述定子繞組通入的三相電流由變頻器調(diào)制而成，定子繞組中形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度變得可控，電機(jī)轉(zhuǎn)速變得可調(diào)。此時(shí)電機(jī)即為變頻調(diào)速永磁同步電機(jī)。因此從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是基于轉(zhuǎn)子永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)外輸出做功。而這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也使得永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)噪音低的特點(diǎn)。

3 熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

結(jié)合三相永磁同步電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)三相永磁同步電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)在于把握熱泵用渦旋壓縮機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)。現(xiàn)將一款十馬力熱泵壓縮機(jī)電機(jī)作為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)和電機(jī)分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱泵壓縮機(jī)電機(jī)的全面設(shè)計(jì)與優(yōu)化[2]。與空調(diào)用壓縮機(jī)電機(jī)相比，熱泵用渦旋壓縮機(jī)由于其運(yùn)行特點(diǎn)，其電機(jī)運(yùn)行環(huán)境更加惡劣。故針對(duì)熱泵用電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化重點(diǎn)放在了電機(jī)絕緣等級(jí)優(yōu)化與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的提升上。以我司某款熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)作出的改進(jìn)設(shè)計(jì)為例，其采取在絕緣等級(jí)優(yōu)化與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的增大上分別采取了以下措施：

（1）絕緣等級(jí)優(yōu)化。在該案例中設(shè)計(jì)人員首先根據(jù)熱泵熱水器用壓縮機(jī)全年運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，且冬季高壓運(yùn)行、環(huán)境溫度低、冷媒流量小、線圈溫度容易過(guò)高；夏季高負(fù)荷運(yùn)行、蒸發(fā)溫度很高、冷媒流量大、壓縮機(jī)負(fù)荷大的特點(diǎn)，從絕緣等級(jí)綜合性提升出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化，以防止電機(jī)絕緣容易老化而導(dǎo)致壓縮機(jī)使用壽命受影響的問(wèn)題。在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，首先應(yīng)當(dāng)注意的是由于電機(jī)內(nèi)部的絕緣材料存在著一定的差異，并且所能夠承擔(dān)的溫度限值也是不同的。從國(guó)際電工協(xié)會(huì)的規(guī)定來(lái)看，絕緣材料被劃分為了7個(gè)等級(jí)，而在我國(guó)電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為普遍的為其中105、120、130、155、180等級(jí)。從熱泵用渦旋壓縮機(jī)自身發(fā)熱對(duì)絕緣壽命帶來(lái)的影響來(lái)看，當(dāng)設(shè)備的絕緣在熱泵用渦旋壓縮機(jī)的額定溫度限值下持續(xù)運(yùn)行的合理壽命平均在7年以內(nèi)，由此根據(jù)相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算后可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)設(shè)計(jì)的絕緣等級(jí)為130、155、180時(shí)，其以相應(yīng)的溫度上升值大約為10℃、12℃、14℃，而在這種情況下電機(jī)的綜合使用壽命會(huì)下降至原使用壽命的一半左右。空調(diào)用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)，其所采取的絕緣等級(jí)設(shè)計(jì)通常為120級(jí)，電機(jī)的耐熱溫度為120℃，在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改良的過(guò)程中，出于提高熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)綜合使用壽命的目的，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采取了將電機(jī)絕緣等級(jí)提升至155級(jí)的措施，令電機(jī)的耐熱溫度到達(dá)了155℃，從而使其自身在使用的過(guò)程中可以良好地承受熱泵用渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，以保障自身運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（2）最大轉(zhuǎn)矩提升。在對(duì)熱泵用渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，從電機(jī)的匝數(shù)與輸出功率之間關(guān)系進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的匝數(shù)與電機(jī)的軸輸出功率之間是反比關(guān)系。因此，在提升電機(jī)軸輸出的過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)對(duì)電機(jī)的匝數(shù)進(jìn)行削減，同時(shí)適當(dāng)增大線徑，保證電機(jī)運(yùn)行效率。對(duì)于永磁同步電機(jī)，電機(jī)輸出功率還與磁通量大小成正比，因此可適當(dāng)選取更高牌號(hào)的釹鐵硼磁鐵，提高電機(jī)主磁通，進(jìn)而增大電機(jī)輸出力矩。在進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，對(duì)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行提升的目的主要在于實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)出力范圍的提升，從而使熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)的運(yùn)行效率得到保障，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)發(fā)熱量的有效控制，令電機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)。此外，在對(duì)熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，現(xiàn)階段的研究往往會(huì)基于其自身的電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性出發(fā)，對(duì)熱泵用渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷的嘗試與革新。例如，在技術(shù)優(yōu)化的過(guò)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(shù)，如此一來(lái)，電機(jī)內(nèi)部的電樞線圈便可以實(shí)現(xiàn)與齒槽結(jié)構(gòu)在空間上的垂直，以此使主磁能夠沿著電機(jī)的軸向進(jìn)行流通，使電機(jī)的功率密度得到了大幅度提升。當(dāng)然也可以通過(guò)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化電機(jī)磁路，以此增大永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子凸極比,提升電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩，也可使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大幅提升。

3.2 仿真試驗(yàn)分析

為了對(duì)案例設(shè)計(jì)優(yōu)化方向的可行性進(jìn)行判定，確保熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)在經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的綜合效率能夠得到保障，其在對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，采取了有限元軟件磁場(chǎng)分析計(jì)算與實(shí)際電機(jī)試制試驗(yàn)兩種方法進(jìn)行了案例設(shè)計(jì)方案的綜合判斷[3]。而在基于有限元軟件磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算得到相應(yīng)的電機(jī)磁場(chǎng)密度云圖后，采用試制電機(jī)，在380V/50Hz條件下進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)，并且在性能實(shí)驗(yàn)中所使用的是具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、高精度伺服馬達(dá)對(duì)拖式測(cè)功機(jī)。在完成性能實(shí)驗(yàn)后，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與相同容量的空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)，仿真實(shí)驗(yàn)與樣機(jī)實(shí)測(cè)的結(jié)果均表明熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)的輸出要高于同功率下的空調(diào)壓縮機(jī)。例如，以樣機(jī)實(shí)測(cè)所得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)，熱泵壓縮機(jī)電機(jī)與同功率的空調(diào)壓縮機(jī)用電機(jī)相比，熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)在最高效率上提升了4.13%，而電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩增大了15.38%，電機(jī)高效率運(yùn)行范圍由46.8%提升到81.3%。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合熱泵用渦旋壓縮機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及其所使用的三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷可以發(fā)現(xiàn)，在對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化與改進(jìn)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)基于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，配合對(duì)絕緣等級(jí)與最大轉(zhuǎn)矩的綜合優(yōu)化調(diào)控，來(lái)保障熱泵用渦旋壓縮機(jī)電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量與效率，使改進(jìn)設(shè)計(jì)的整體效果得到保障。