高效變頻空調(diào)壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)研究

張少丕， 陳世元， 皮明超

(1. 鄭州凌達(dá)壓縮機(jī)有限公司,河南 鄭州 450001; 2. 華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510000)

0 引 言

隨著生活品質(zhì)提高，人們對房間空調(diào)器的要求越來越高。具有溫度調(diào)節(jié)平滑、變化緩慢、創(chuàng)造舒適溫馨環(huán)境的變頻空調(diào)器越來越受到人們的喜愛。另外其具有高效、節(jié)能等特點(diǎn)，相對同等級定速空調(diào)可省電30%以上，節(jié)能效果顯著。因此，變頻空調(diào)器具有良好的應(yīng)用前景。

在變頻空調(diào)上使用的變頻壓縮機(jī)主要使用永磁同步電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高、功率因數(shù)高。隨著國家對變頻空調(diào)器能效水平要求的提高，驅(qū)動用電動機(jī)的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到變頻空調(diào)器的能效等級。準(zhǔn)確計(jì)算永磁電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)和性能的重要前提是獲得正確的磁場分布。用電磁場分析方法取代傳統(tǒng)的磁路計(jì)算是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段。本文以傳統(tǒng)的電磁計(jì)算程序?yàn)榛A(chǔ)，以電磁場有限元法Jmag-Studio為計(jì)算手段，展開對永磁電機(jī)電磁場問題的深入研究。通過電動機(jī)樣機(jī)測試，對比了電動機(jī)性能的理論與實(shí)際的差異，及變頻壓縮機(jī)和對應(yīng)空調(diào)器的性能，通過實(shí)際測試說明了該方法的準(zhǔn)確性。

1 電動機(jī)結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)確定

變頻壓縮機(jī)用電機(jī)的結(jié)構(gòu)選擇，不僅關(guān)系到電機(jī)的性能，而且關(guān)系到整個空調(diào)系統(tǒng)是否可以達(dá)到性能最優(yōu)。

定子結(jié)構(gòu)要綜合考慮電機(jī)的性能目標(biāo)，同時(shí)又適合大批量生產(chǎn)，低制造成本。定子鐵心采用六槽整體結(jié)構(gòu)，繞組采用節(jié)距為1的集中線圈式，接線方式采用星形接法。該繞組形式顯著縮短了電樞繞組的端部長度，減少銅、鋼等材料使用量，降低材料成本，減小電樞繞組的端部漏抗，降低繞組銅耗，提升效率，更易達(dá)到高效節(jié)能的目標(biāo)。為使反電動勢為正弦波，需要設(shè)計(jì)非均勻氣隙。考慮到工程需求，本文通過改變定子齒部極靴的形狀來達(dá)到改變氣隙長度的目的。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選擇，綜合考量永磁體的安裝方式與整機(jī)長期運(yùn)行的可靠性，選用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其交軸電感大于直軸電感，表現(xiàn)出凸極性質(zhì)，更便于實(shí)現(xiàn)弱磁調(diào)速。據(jù)分?jǐn)?shù)槽繞組的對稱條件，極數(shù)確定為4極。綜合以上分析，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.1 永磁體材料選擇及體積確定

因永磁體材料性能直接影響電動機(jī)的功率密度和允許的工作溫度，綜合實(shí)際要求，選用燒結(jié)釹鐵硼，材料牌號為N38UH。其具有較高的磁能積，有利于提高功率密度，減小電機(jī)體積。

永磁體尺寸由如下算式計(jì)算得出。

每極永磁體長度：

(1)

每極永磁體寬度：

bm=αpτ

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：t——永磁體的工作溫度。

根據(jù)永磁體的工作溫度t為120℃，得出磁鋼尺寸為長30.7mm，寬30.5mm，厚3.4mm。

1.2 電機(jī)體積確定

調(diào)速永磁同步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與電磁負(fù)荷、主要尺寸之間滿足如下關(guān)系式。

電動機(jī)的主要尺寸表示為

(6)

(7)

式中:p=1；tb=6.5s；γFe=7500kg/m3；ωb=3437rad/s;A=1500A/m;Bδ1=0.85T。利用式(7)計(jì)算得出，定子內(nèi)徑Di1=60.3mm，取整數(shù)為Di1=61mm。氣隙長度初值取δ=0.7mm。

發(fā)病前用25%嘧菌酯1500倍液～2000倍液噴霧預(yù)防。發(fā)病初期，用20%三唑酮（粉銹寧）乳油800倍液～1000倍液，加優(yōu)質(zhì)葉面肥，或用1%多抗霉素可濕性粉劑800倍液、或12.5%烯唑醇可濕性粉劑600倍液?；?0%氟硅唑（福星）7500倍液、或70%甲基托布津可濕性粉劑1000倍液～1500倍液，或50%硫懸浮劑200倍液～400倍液，75%百菌清可濕性粉劑500倍液～800倍液，或10%苯醚甲環(huán)唑（世高）1500倍液噴霧防治。隔7d～10d防治1次，連續(xù)防治2次或3次。藥劑交替使用，每種藥劑只能使用1次。采收前5d～7d停止用藥。

電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)表

1.3 電機(jī)空載計(jì)算結(jié)果分析

本文以定子鐵心直徑的1.05倍的圓形區(qū)域?yàn)橛?jì)算范圍，建立二維全模型分析。

其邊界條件為

空載計(jì)算以60Hz(3600r/min)頻率下的反電動勢波形為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。

圖2 反電動勢波形圖

從圖2可看出，反電動勢的波形接近正弦波形，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。在3600r/min時(shí)，每相反電動勢的幅值為119V，每相反電動勢的有效值為77.08V，相間反電動勢的有效值為133.51V，每相KE為21.41V/Kr，線間KE為37.09V/Krpm。

如圖3所示，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的幅度在±0.13N·m，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置變化均勻。

圖3 齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

1.4 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及性能評價(jià)

1.4.1 電勢系數(shù)測試

圖4為樣機(jī)實(shí)測的反電勢波形，從圖中可以看出此時(shí)的旋轉(zhuǎn)頻率f為1/50ms=20Hz，從而得到n=60f/P=600r/min。

圖4 樣機(jī)的反電勢波形

1.4.2 電機(jī)本體效率分析

在80、60、40Hz三個頻率下，比較理論效率和實(shí)測效率，兩者差異較小，電機(jī)性能參數(shù)如表2所示。另外，可計(jì)算出電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)G為0.393N·m/A。

表2 電機(jī)性能參數(shù)表

電機(jī)效率的理論計(jì)算值與實(shí)際測試值最大誤差值為0.35%，并未超過0.5%，理論計(jì)算誤差可以接受。在整個轉(zhuǎn)矩測試范圍內(nèi)，曲線變化平緩，并未出現(xiàn)較大的落差。

1.5 變頻壓縮機(jī)性能分析

利用試制成功的電機(jī)本體，裝配成家用空調(diào)器系統(tǒng)用的變頻壓縮機(jī)，同時(shí)配合對應(yīng)電機(jī)參數(shù)的逆變器，以期評估電機(jī)在實(shí)際負(fù)載作用的性能情況。為更好的評估壓縮機(jī)的性能，進(jìn)而評價(jià)空調(diào)器的能效等級。

利用理論計(jì)算得出的交、直軸電感，轉(zhuǎn)矩系數(shù)，電壓系數(shù)等參數(shù)，用于逆變器驅(qū)動壓縮機(jī)單體，變頻壓縮機(jī)的性能，噪音和振動效果均較為理想，再次驗(yàn)證理論計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

綜合分析，三個頻段下的變頻壓縮機(jī)單體性能(見表3)，均達(dá)到工程要求水平，效果良好。

利用軟件攜帶的電感計(jì)算工具，計(jì)算在60Hz頻率下的電機(jī)交、直軸電感，見表4。

表3 變頻壓縮機(jī)單體性能數(shù)據(jù)表

表4 電感參數(shù)表

1.6 房間空調(diào)器性能分析

為全面評估空調(diào)器的能效等級，需要測試制冷和制熱條件下的性能數(shù)據(jù)，以便綜合評價(jià)空調(diào)器的能效等級。本文研究所采用的空調(diào)器系統(tǒng)為冷暖型空調(diào)器KFR-35機(jī)(大1.5匹)。

在制冷條件下，使用制冷季節(jié)能源消耗效率指標(biāo)SEER評價(jià)空調(diào)器的性能指標(biāo)。在制熱條件下，使用制熱季節(jié)供熱效率指標(biāo)HSPF評價(jià)空調(diào)器的性能指標(biāo)。變頻空調(diào)器的能效等級利用兩個指標(biāo)來綜合評價(jià)。

在制冷狀態(tài)下的性能數(shù)據(jù)如表5所示?？煽闯觯_樣機(jī)的制冷季節(jié)能源消耗效率指標(biāo)SEER均在5.2以上，國標(biāo)要求一級能效空調(diào)器的季節(jié)能效比不低于5.2，該空調(diào)器達(dá)到國標(biāo)一級能效等級要求。

在制熱條件下的性能數(shù)據(jù)如表6所示?？煽闯?，三臺樣機(jī)的制熱季節(jié)供熱效率指標(biāo)HSPF均在3.6以上。國標(biāo)要求一級能效空調(diào)器的季節(jié)能效比不低于3.6，該空調(diào)器達(dá)到國標(biāo)一級能效等級要求。

表5 制冷狀態(tài)下空調(diào)器性能數(shù)據(jù)表

表6 制熱狀態(tài)下空調(diào)器性能數(shù)據(jù)表

2 結(jié) 語

本文利用有限元分析軟件Jmag對變頻空調(diào)器壓縮機(jī)用永磁同步電動機(jī)進(jìn)行磁場分析計(jì)算，獲取電動機(jī)的交、直軸電感等關(guān)鍵參數(shù)，全面評估電動機(jī)的效率，變頻壓縮機(jī)的性能，及空調(diào)器在制冷和制熱條件下的性能數(shù)據(jù)，達(dá)到國標(biāo)一級能效指標(biāo)的要求。經(jīng)過以上分析計(jì)算，試驗(yàn)驗(yàn)證，說明該方案可行。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 唐任遠(yuǎn).稀土永磁電機(jī)的現(xiàn)狀和未來[J].電器工業(yè).2003(01)： 8-9.

[2] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3] 袁朝陽.基于有限元磁場計(jì)算的釹鐵硼永磁同步電動機(jī)的遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].阜新： 遼寧工程技術(shù)大學(xué),1999.

[4] 王益全，張炳義.電機(jī)測試技術(shù)[M].北京： 科學(xué)出版社，2004.