基于JMAG電磁仿真的空調壓縮機用永磁電機開發(fā)

施文杰

（上海海立電器有限公司，上海 201206）

1 研究背景

本研究的設計基準為SG直流變頻電機（殼徑112．2mm），設計來源早年的日本技提，原有設計為分布卷電機，分布卷電機因為磁動勢高次諧波成分小，所以具有低噪音的優(yōu)點。同時由于跨越幾個槽間隔卷繞，所以產生了無助于轉矩的線圈端部的周長延長，占全損耗的銅損比例增大。因此，采用在一個齒上繞線的“集中繞線”方式有利于提高電機效率以及減少電機用銅量，降低電機的整體成本。集中繞線的磁動勢分布，在結構上，因為相對于分布繞線的正弦波呈矩形波分布，所以含有高次諧波成分。因此，有必要在高效的集中卷電機的形式下，研究新的降噪方式，達到高效、低噪音的目的?，F有空調壓縮機的常規(guī)集中卷形式為4極6槽，為降低噪音與振動，初步方向為增加電機極對數，以期降低電機震動，改善電機及壓縮機整機的噪音。后續(xù)實際分析發(fā)現，其對整體優(yōu)化不足，因此改為在轉子上增加切邊的形式進行改善。先期探討了9槽6極集中卷電機在壓縮機中的應用，發(fā)現其相對于6槽4極電機噪音改善得不明顯且效率有較顯著的下降。因此采用了轉子切邊的設計，通過J-MAG電磁場分析推算其對噪音改善的影響并裝機確認。后續(xù)實際裝機分析了此款電機的實際壓縮機性能及改善噪音的情況。最終在6槽4極電機的形式下，開發(fā)ASG集中卷電機，在保持較高效率的情況下，降低噪音。

2 電機及壓縮機效率比對

首先在D系列（107．15mm外徑）中進行9槽6極電機的設計，探討增加電機極對數對于電機性能的影響。通過電機實機測試可見，在相同的工況下，9槽6極電機除了在低速高扭矩的工況下效率稍高之外，在2000及3000轉時，效率均低于6槽4極電機。根據損耗分析可見，隨著扭矩的增大，運行電流增大，銅損比例增加，鐵損的比例逐漸減少。但是在高速段時，鐵損成為了主要損耗，且9槽6極電機的鐵損比例遠高于6槽4極電機。由于9槽6極電機極對數為3，高于普通的6槽4極電機的2對，因此在電機驅動時相對比較困難，限制了電機的最大轉速。若需要更大的電機轉速，則需相應增加驅動模塊的負擔及其成本。以本回檢討的9槽6極電機裝機并參照本社定格工況進行壓縮機冷力實驗，與原有數據比較。通過定格點的數據比較可知，9槽6極電機的運行電流較大且效率平均低4～5%左右，不符合兩者電機效率的差異。由此可見，盡管兩者的電機效率差距不大，但是在壓縮機效率上有較大降低，采用9槽6極形式降低噪音的方式會損失較多的效率，在現有空調壓縮機效率要求越來越高的前提下，此方案無可實行性。需要另外尋找技術手段改善電機的噪音和震動，且電機和壓縮機效率不可以有所下降。

3 有切邊轉子組件設計的探討與分析

（1）有切邊轉子形式。切邊形式見圖1。 通過在轉子鐵心上增加如圖切邊，并且在疊裝時采取分段式的方式，可以平衡轉子運行時所受到的徑向力，減少因此引起的噪音與振動。期待使用此方式改善電機的噪音與震動，由于此方式對于電機整體沒有巨大的結構性的改變，因此推測其電機效率不會有太大差異，且基本不需修改電機驅動，設備投資與適配均較方便。

圖1

（2）轉子有、無段差的電磁場分析。①運行模型。在實際進行裝機試制前，先行使用JMAG電磁仿真軟件進行電磁場分析。采用此有限元方式，可以減少研發(fā)周期，且降低試制成本。從長遠來看，對于各電機設計及研究部門來說，具有很大的實用價值。定子：ASG集中卷電機定子，117匝繞線，新日鐵35H250電磁鋼板，55疊高；轉子：N42SH磁鐵（20℃），新日鐵35H250電磁鋼板，55L，有、無段差各一；測試工況：3000rpm，8A運轉電流；使用J-MAG studio 9．0 進行計算；使用有限元分析對以上模型進行仿真，確認切邊是否有實際作用。待理論驗證后，再進行實際裝機的最終確認。

②發(fā)電電壓比較。使用以上模型，計算3000rpm時2種轉子使用相同定子的發(fā)電電壓。有段差轉子發(fā)電電壓：34．88V/Krpm（線電壓）；無段差轉子發(fā)電電壓：35．52V/Krpm（線電壓）。有段差轉子發(fā)電電壓下降1．8%，估計為轉子增加了切邊，因此造成實際的平均氣隙擴大。但是其波形相對比較平滑接近正弦波。發(fā)電電壓波形更加接近正弦波的話，有利于電機驅動的控制，因此推測其對于電機效率的整體影響不大。

③扭矩比較。計算無偏心量、0．1mm及0．2mm偏心量時，比較2種轉子的扭矩。兩種轉子扭矩隨偏心量大小變化不大，有段差轉子平均扭矩3．85Nm，無段差轉子平均扭矩3．91Nm，下降1．5%，與發(fā)電電壓變化量相近，同樣是由于切邊增加了氣隙大小所造成。兩種轉子扭矩波形上有較大的變化，說明段差對于電機的運行有較明顯的影響。其對于電機效率的變化后續(xù)進行確認。

④偏心力比較。計算無偏心量、0．1及0．2mm偏心量時，比較2種轉子的偏心力。雖然兩種轉子的平均偏心力變化不大，但是有段差轉子峰-峰值有較明顯下降。實際仿真后得知，在偏心量為0的情況下，峰-峰值差異不大。但是一旦有了一定的偏心量（0．1或0．2mm）。電機偏心力會有較大差別。在0．1mm偏心量下，無端差的偏心力由49．858Nm降低到了44．207Nm。若偏心量增大到0．2mm的話，則其值會由97．933Nm降低到87．317Nm。由于實際裝機時無偏心量為理想狀況，實際均會有0．1到0．2mm的位移，因此可見，此結構對于保持電機整機的穩(wěn)定有著明顯的優(yōu)勢?？梢钥闯?，在有偏心量時，偏心力平均值下降1．2%左右。峰-峰值有較明顯的下降，下降11%左右。由先期的J-MAG電磁場分析計算可以得知，由于平均氣隙增大，電機的發(fā)電電壓及扭矩均稍有下降，但是其偏心力的平均值及峰-峰值的減少也很明顯。預期電機及壓縮機效率會稍有降低，但可以達到降低噪音的目的。

4 壓縮機性能及噪音比較

（1）壓縮機冷力性能比較。由于原有進行電磁仿真的結果表明，增加端差對于電機效率的影響不大，但是可以有效降低電機本體的噪音與振動，因此對于本款電機，進行實際的裝機測試，以確定轉子扭斜對其冷力性能的實際影響。根據實際壓縮機實驗結果可見，有、無段差品的壓縮機冷力性能大致相當，且其二次側COP大致相當，均為4．5左右，由此可見，轉子組件的切邊對于壓縮機整機的冷力影響不大，若整機測試壓縮機噪音有所改善，即可達到原有的設計目的。

（2）壓縮機的噪音性能比較。同樣對于以上有、無段差品進行壓縮機噪音實驗：由實際裝機的實測數據表明，雖然有、無段差轉子的壓縮機OA值差別不大，但是段差品的振幅及振動加速度均有較明顯的降低，與之前J-MAG電磁場分析的結果相符。同時，在較為關注的200～400 H z頻段，壓縮機的噪音有較明顯的改善，說明段差品可起到改善噪音的效果。在各運行頻率下的噪音曲線見圖2，可較為直觀的看出，在200～400 H z頻段，改善較為明顯。同樣為4極電機，有段差轉子此頻段的分貝值明顯低于普通品，且上升較為平緩無尖峰，對于人耳的影響較小，聽感相對舒適。

圖2 實測運轉頻率67Hz的壓縮機OA圖

5 結語

本文主要介紹了ASG集中卷電機（112．2mm殼徑）在設計過程中所探討使用的降噪措施。在設計前期首先探討使用了增加極對數的方式降低噪音，但是由于損失效率較大且噪音改善不明顯，因此改為使用轉子切邊的方法。通過J-MAG電磁場分析，從理論上確認了此方法的可行性。后續(xù)通過壓縮機裝機，證明了轉子組件切邊的形式，可以達到較少損失效率的前提下有效降低噪音的目的。在研究過程中，使用了JMAG的有限元分析方式，降低了電機實際裝機和試樣的時間及金錢成本，達到了加快研究進展、提高研究效率的目的

參考文獻：

[1]福田務等．電氣理論[M]．科學出版社,2001．

[2]李愷 ASG133RD第三代泵體方案單體冷力試驗匯總對比，2010，10．