無霜冰箱風扇電機性能及對節(jié)能的影響

李成武，隆 瑩，楊 敏

[海信容聲(廣東)冰箱有限公司，廣東 佛山 528300]

1 前言

目前無霜冰箱在國內(nèi)市場被廣大消費者接受，冰箱的能耗也越來越低，噪音也越來越小，價格也不太高，過去無霜冰箱的高噪音、高價格、易風干的問題都得到了較好的改善，這也是技術在不斷進步的結果。其中作為無霜冰箱的關鍵零部件，風扇電機在近幾年中也發(fā)生了較大的變化。在節(jié)能環(huán)保及消費市場的要求下，電機的技術也發(fā)生了較大的變化，同時電機配套的風扇性能研究也取得進步。

為研究風扇電機及對冰箱的節(jié)能影響，本論文通過對電機及風扇特性參數(shù)的研究，分析影響性能的關鍵原因，從而使無霜冰箱更加節(jié)能。

2 風扇電機種類

在無霜冰箱的風扇電機中，按不同分類可以分出很多種，一般可分為交流電機與直流電機。交流電機主要是單相電機，對于冰箱來說，因為成本的要求，一般都采用低價格的罩極式電機。直流電機主要是BLDC電機，一般可分為外轉子與內(nèi)轉子兩種設計方式。

交流電機與直流電機各有特點。交流電機一般用于機械溫控的冰箱，冰箱的檔次低，成本要求低，電機功率大，一般在6.5W左右，冰箱的能耗大。直流電機需要直流電源，功率小，一般用于高檔電腦冰箱。

目前由于冰箱節(jié)能的要求，對冰箱的能耗要求越來越高，經(jīng)過成本的分析比較，電機對冰箱能耗的影響會直接影響到成本的上升，高效電機更具有較強的競爭力。

因成本的競爭，各種節(jié)能的電機也不斷出現(xiàn)。對于普通罩極電機，也可以通過改變硅鋼片的牌號提高電機的效率，如硅鋼牌號由50W800改為50W350后，電機的功率可以由6.5W降到5W(1)。電機的效率低下，在高溫或堵轉的情況下非常容易出現(xiàn)溫升過高，從而引起火災的重大質量問題。另外目前市場上也出現(xiàn)了交直流的罩極電機，成功將BLDC的技術應用到罩極電機上，功率達到直流電機的水平(2)。針對目前電機的各類，在無霜冰箱中，主要出現(xiàn)以下幾種電機，如表1。

表1 無霜冰箱電機的種類

種類電源(V)功率(W)效率(%)價格備注交流罩極電機2206.515低硅鋼50W800交流罩極電機(高效)220520低硅鋼50W350交直流電機220250高罩極式BLDC直流電機(外轉子)12250高繞線式BLDC直流電機(內(nèi)轉子)12250高繞線式

圖1 罩極電機設計圖

3 電機原理及性能改進

電機的種類比較大，但目前大多分為罩極式交流電機與BLDC直流電機，為更方便了解電機，對它們的原理進行簡單的介紹。

3.1 罩極電機的工作原理

罩極電機因為技術簡單，制造工藝簡單，成本低，在許多的小家電市場上用量比較大，但它的效率比較低。在一般機械溫控的無霜冰箱中，因為成本問題也主要采用此電機。罩極電機的結構見圖1。從圖1中可以看到它的結構非常簡單，主要是由繞線圈、硅鋼片、轉子等組成，其中在硅鋼片上設計有屏蔽環(huán)，它主要起到輔助磁場的作用。

電機原理如圖2。線圈產(chǎn)生的磁場通過硅鋼片在轉子的周圍產(chǎn)生磁極，在交流電的作用下，磁極不斷發(fā)生變化。如果磁極不發(fā)生移動，轉子很難啟動，在一般的單相電機，都會采用主輔繞組進行啟動，在罩極電機中需要產(chǎn)生另外一個有相位角的新磁極存在(3)。

在圖3中可以見到轉子所能感受到的磁場變化規(guī)律。在主磁場發(fā)生變化時，屏蔽環(huán)產(chǎn)生副磁場，從而出現(xiàn)類似磁極的移動，從而轉子發(fā)生轉動，在線圈變換電流方向后，新的磁場加快轉子的轉動(3)。

圖2 電機工作原理圖

圖3 電機的磁場變化圖

通過罩極電機的原理可以知道，硅鋼片的特性參數(shù)會影響到電機的效率，所以采用不同鐵損的牌號后，可以改變電機的功率與效率。

3.2 BLDC電機的工作原理

采用BLDC的直流電機主要是利用霍耳元件感應磁場的變化，切換繞線組的高低電位。在電機的轉子中采用永磁材料設計成不同極數(shù)的磁極，從而可以提高電機的效率。如圖4(4)。市場上也出現(xiàn)無霍耳元件的BLDC技術，如變頻壓縮機等，方便解決傳感器位置設計的難題。從圖5中可以看出霍耳元件在電路中的作用，通過在不同的繞組中產(chǎn)生不同相位的電流后，運轉電機(4)。

圖4 BLDC電機

4 風扇性能的參數(shù)

在風扇的性能中，電機的性能是關鍵，但電機的性能除本身的原理產(chǎn)生以外，外部對它的影響也比較大，電機承受的不同負載也會影響到電機的特性，尤其功率的變化。對于冰箱來說，電機的負載主要與配套的扇葉有比較大的關系，同時還與電機的電壓有關，電壓越高，電機的轉速也越高，功率越大，在電機的輸出功不變的情況下，扇葉的直徑越小，則電機的轉速也越高。電機效率的高低需要與扇葉進行匹配，才能更好地體現(xiàn)電機的作用，對于相同的電機匹配不同的扇葉也會產(chǎn)生不同的性能，對于相同的電機，在輸入不同的電壓后，性能與電機的參數(shù)也會發(fā)生很大的變化。

在研究無霜冰箱的節(jié)能，一方面除了考慮電機的本身功耗外，還需要了解風扇的性能。

4.1 電機對風扇性能的影響

在風扇的性能中，主要的參數(shù)有靜壓、全壓、效率、功率、風量、風壓等，全壓主要是動壓與靜壓的合值，而動壓為風扇的動能。

效率的計算公式如下[1]：

η=Ρ×Q÷(3600×W)

式中：η—風扇效率；P—風扇全壓，Pa；Q—風扇的風量，m3/h；W—電機的輸入功率，W。

圖6所示為罩極電機的性能曲線圖。從圖6中可以看出，風量在增加時，風壓在減少，風扇效率只有5%左右，說明在電機裝配扇后，效率降低很多。

圖6 罩極電機風扇的性能曲線

圖7 直流電機風扇的性能曲線

由于風扇的效率比較低，大部分的功耗最后都變成了熱能，如果電機在冰箱的內(nèi)部，則都變成了冰箱的熱負荷，這部分熱負荷都需要通過壓縮機的制冷進行轉移。

電機的功耗大對冰箱的能耗影響有兩方面，一個是電機本身的耗電量，另一個是電機產(chǎn)生的熱能形成的熱負荷，通過壓縮機消耗的電量。

同樣由圖7可以看出BLDC直流電機的風扇性能，除了在P-Q曲線上的不同外，BLDC電機與罩極電機在風扇的性能上相差不大，說明在電機的輸出功相同的情況下，風扇的性能相當。將風扇的效率進行對比，采用BLDC的電機風扇效率明顯高于罩極電機，因而對無霜冰箱的節(jié)能作用要明顯高于罩極電機。

4.2 電機輸入電壓對性能的影響

對于電機輸入電壓不同，對電機的轉速會產(chǎn)生影響，從而對風扇的性能產(chǎn)生影響。對于交流電機，電壓的波動范圍不大，主要受到電網(wǎng)的影響，而不是自動調節(jié)，但這種波動對風扇的性能也會產(chǎn)生影響。對于BLDC電機，由于可以采用調壓的設計，電機的變化大，風扇的性能變化也大。

由圖8可以看出，在不同的電壓下，風扇的性能變化很大。電壓越高，風扇產(chǎn)生高的風量與風壓，對無霜冰箱來說，換熱的效率更高，冰箱也節(jié)能，但是在高電壓下電機的功率也發(fā)生了變化，電機的功率在變大，增加了冰箱的能耗。針對兩種相互制約的因素影響，需要在冰箱上具體分析匹配。在電機的電壓加大時，電機的轉速加高，冰箱的噪音也會變大。

圖8 采用離心扇葉直流電機風扇的性能曲線

4.3 風扇扇葉對性能的影響

在影響風扇的性能因素中，除電機及電源外，還有很多其它的影響因素，其中扇葉不同設計的影響非常明顯，一般在無霜冰箱中，設計有軸流扇葉，離心扇葉等。如圖10為采用軸流扇葉的直流電機風扇的性能曲線。對比圖8與圖10，可以發(fā)現(xiàn)兩者在性能曲線上有比較大的差別，離心風扇可以提供較好的風壓，但是功率大，軸流風扇對于風道系統(tǒng)阻力較小的冰箱比較適合。

圖9 直流電機在不同風量下參數(shù)變化

圖10 采用軸流扇葉直流電機風扇的性能曲線

另外對于軸流風扇來說，導流圈的設計也會影響到性能的變化，如圖11。不同扇葉的直徑大小也會影響大風扇的性能參數(shù)，離心扇的高度同樣會產(chǎn)生不同的效果。對于不同的風扇會產(chǎn)生不同的效果，如圖12，但是對于無霜冰箱來說，選擇合適的風扇比較重要，這需要了解冰箱本身的風道阻力設計，通過風洞測試出風道的阻力曲線后，可以更好地選合適的工作點，如表2[注]。

圖11 軸流風扇導流圈對風扇的性能曲線

圖12 不同風扇的綜合性能對比曲線

表2 不同風扇參數(shù)及工作點

導流圈直徑(mm)1001001008510810085扇葉直徑(mm)110130110110100110110電壓(V)13121212121010風扇類型離心離心離心離心軸流離心離心實際工作點對應風量(m3/h)72696763605754

圖13 冰箱仿真軟件計算示意圖

5 節(jié)能的影響

對于電機及風扇的性能變化，最后都會對冰箱的能耗產(chǎn)生影響，整體上說，電機的功率越低，則冰箱的能耗越小，電機的效率越高，則冰箱的能耗也越小，而對于風扇的性能來說，對冰箱的能耗影響則復雜很多，風量與風壓對冰箱性能的影響，與冰箱本身的風道設計有關，也可以通過改變風道的阻力設計來調整工作點，在風扇的不同設計中，也可以通過調整達到相同的結果。但對于電機功率對冰箱能耗的影響，可以通過仿真的軟件進行計算出對節(jié)能的影響。

在其它參數(shù)不變的情況下，將交流電機由5W改為2W的高效交直流電機后，冰箱的性能變化如表3。

表3 不同電機下冰箱的能耗變化

電機類型耗電量(kWh/24h)開機率(%)節(jié)能(%)5W罩極電機0.7556334.872W高效電機0.720632.5

6 總結

本文通過對無霜冰箱的風扇電機進行全面分析，了解電機及風扇性能的參數(shù)變化對冰箱性能的影響，通過對電機種類選擇節(jié)能電機，研究影響電機參數(shù)變化的因素，以及風扇不同設計帶來的性能變化，同時對風道設計進行大量測試與研究分析，從而為研究無霜冰箱的節(jié)能提供更為全面的參考。

[1] 陳沛霖，岳孝方.空調與制冷技術手冊[M].上海：同濟大學出版社，1990，7

[2] 李成武.科龍BCD-237AK系列冰箱節(jié)能技術研究[J].制冷，2002，21(4)：55-59