鑄銅轉(zhuǎn)子對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)性能影響研究

李尚平 龍 芳 閆 術(shù)

（珠海凌達(dá)壓縮機(jī)有限公司 珠海 519070）

引言

為促進(jìn)節(jié)能降耗，推廣綠色節(jié)能家電，行業(yè)長期致力于壓縮機(jī)提效和電機(jī)提效的研究。壓縮機(jī)電機(jī)是空調(diào)的主要能耗部件，其能耗占空調(diào)總能耗的80 %。鋁的電導(dǎo)率約為銅的電導(dǎo)率的60 %，故采用鑄銅轉(zhuǎn)子代替鑄鋁轉(zhuǎn)子，可以很好的提升電機(jī)效率和壓縮機(jī)COP。

本文針對(duì)一款5PH定速壓縮機(jī)電機(jī)和一款20PH變速壓縮機(jī)電機(jī)，分析其對(duì)應(yīng)的3.5 kW和15 kW的兩款2極三相異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)比鑄銅轉(zhuǎn)子的性能優(yōu)勢，為鑄銅轉(zhuǎn)子在壓縮機(jī)電機(jī)的研究和設(shè)計(jì)做參考。

1 銅和鋁的電導(dǎo)率溫度變化

旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的電機(jī)放置在壓縮機(jī)的高壓腔內(nèi)，電機(jī)周圍充滿高溫和高壓的氣態(tài)冷媒。隨著運(yùn)行工況不同，電機(jī)的環(huán)境溫度在70～130 ℃范圍。電機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度升高，降導(dǎo)致電機(jī)的電阻增大，降低電機(jī)性能。

在溫度15 ℃時(shí)銅的電阻率：ρcu15=1.75E-08 Ω·m，銅導(dǎo)條電阻的溫度系數(shù)：αcu=0.003 96 K-1

在溫度15 ℃時(shí)鋁的電阻率：ρAl15=2.79E-08 Ω·m，鋁導(dǎo)條電阻的溫度系數(shù)：αAl=0.004 07K-1

溫度為t時(shí)的電阻ρt可按下列公式換算：

表1 各溫度下銅和鋁的導(dǎo)電率

2 工頻三相異步電動(dòng)機(jī)

2.1 電機(jī)基本參數(shù)

分析5PH壓縮機(jī)的電機(jī)，電源：380 V/50 Hz 3相；額定功率3.5 kW。

電機(jī)的基本尺寸和功率公式：

式中，Dil為定子內(nèi)徑；lef為鐵芯有效長度；P’為計(jì)算額定功率；為計(jì)算極弧系數(shù)；KNm為波形系數(shù)；Kdp為繞組系數(shù)；A為電負(fù)荷；δB為磁負(fù)荷；n為額定轉(zhuǎn)速；KE為電動(dòng)勢常數(shù)；Nη為效率；cosSN?為功率因素；PN為額定輸出功率。

通過有限元建模對(duì)比分析，如圖1和圖2。

2.2 電機(jī)各溫度下理論數(shù)據(jù)對(duì)比

電機(jī)運(yùn)行溫度25 ℃、75 ℃、115 ℃下，對(duì)比鑄銅轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子在力矩:8 N·m、10 N·m、12 N·m、14 N·m的效率和轉(zhuǎn)速變化，見圖3、圖4、圖5。

效率變化情況：在25℃時(shí)，銅轉(zhuǎn)子的效率，高出0.57 %～1.18 %；在115 ℃時(shí)，銅轉(zhuǎn)子的效率，高出1.13 %～ 2.47 %；銅轉(zhuǎn)子效率隨著溫度升高，和負(fù)載增大，效率降低少。鑄銅轉(zhuǎn)子效率曲線，隨溫度和負(fù)載變化更平穩(wěn)，鑄鋁轉(zhuǎn)子在高溫和高負(fù)載下降到非常明顯。

轉(zhuǎn)速變化情況：在各力矩下和溫度對(duì)應(yīng)的效率差值如表3。在25 ℃時(shí)，銅轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，高出20～37 rpm；在115 ℃時(shí)，銅轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，高出38～77 rpm。銅轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨著溫度升高和負(fù)載增大，轉(zhuǎn)速降低少。鑄銅轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速曲線，隨溫度和負(fù)載變化更平穩(wěn)。

2.3 電機(jī)效率測試

對(duì)比測試常溫下（25 ℃）銅轉(zhuǎn)子和鋁轉(zhuǎn)子的電機(jī)效率變化。

測試力矩：從7 N·m到15 N·m，間隔1 N·m，讀取數(shù)據(jù)，然后描點(diǎn)繪如圖6。

圖1 有限元建模圖

圖2 電機(jī)繞組示意圖

圖3 電機(jī)效率對(duì)比（25 ℃）

圖4 電機(jī)效率對(duì)比（75 ℃）

圖5 電機(jī)效率對(duì)比（115 ℃）

表2 效率對(duì)比差值

結(jié)合圖6和圖3電機(jī)測試表明：鑄銅轉(zhuǎn)子的電機(jī)效率同理論基本相當(dāng)，銅轉(zhuǎn)子的效率較高，力矩-效率曲線更平穩(wěn)，總體趨勢也基本一致。鑄鋁轉(zhuǎn)子在重負(fù)載下，電機(jī)效率實(shí)際降幅會(huì)比理論值大1 %，說明高負(fù)載鋁轉(zhuǎn)子衰減大于理論計(jì)算值。

3 可變頻率三相異步電動(dòng)機(jī)

3.1 高轉(zhuǎn)速鑄銅異步電機(jī)性能

變頻空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行范圍廣，綜合性能高，行業(yè)占比逐年增高，主要采用永磁同步電動(dòng)機(jī)加控制變頻器實(shí)現(xiàn)。三相異步電機(jī)很少用于變頻空調(diào)，主要原因：鑄鋁異步電機(jī)整體效率低，低頻率時(shí)氣隙磁密高，溫升高，較永磁同步電動(dòng)機(jī)效率有較大差距。

假如能采用三相鑄銅轉(zhuǎn)子，同時(shí)結(jié)合頻率升高，提高三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的效率可以大幅提升。

在上述3.5 kW電機(jī)基礎(chǔ)，增加鐵芯疊高，運(yùn)行頻率90 Hz，制作一款10 kW電機(jī)，通過計(jì)算電機(jī)效率接近94 %，如能結(jié)合銅轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)專用槽型，異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)的差距將非常小。

3.2 異步電動(dòng)機(jī)頻率和電壓變化曲線

由上分析，設(shè)計(jì)一款電機(jī)最大額度功率15 kW三相異步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行頻率30～120 Hz，環(huán)境溫度115 ℃，用于20 PH壓縮機(jī)。

本次分析變頻采用V-F控制，頻率和電壓變化關(guān)系如下圖7所示。在頻率30～90 Hz，電壓成線性增長；頻率≥90 Hz，進(jìn)入弱磁控制，電壓恒定為380 V。具體如公式4和公式5：

3.3 異步變頻電機(jī)高溫性能對(duì)比

針對(duì)15 kW三相異步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行頻率30～120 Hz，仿真分析鑄銅轉(zhuǎn)子與鑄鋁轉(zhuǎn)子，對(duì)比運(yùn)行溫度115 ℃時(shí)的性能差異。

通過軟件計(jì)算電機(jī)的數(shù)據(jù)如表5和圖7，銅轉(zhuǎn)子的電機(jī)效率：40 Hz時(shí)，電機(jī)效率提升3.43 %；60 Hz時(shí)，電機(jī)效率提升2.15 %；40 Hz時(shí)，電機(jī)效率提升1.28 %；120 Hz時(shí)，銅轉(zhuǎn)子效率提升2.54 %，在低頻和高頻弱磁情況下，效率提升明顯。

鑄銅轉(zhuǎn)子在90 Hz時(shí)，電機(jī)效率較60 Hz的提升2.12 %。鑄銅轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度非常好，假設(shè)壓縮機(jī)電機(jī)降運(yùn)行頻率設(shè)計(jì)在40～160 Hz，其120 Hz的電機(jī)效率還將進(jìn)步提升。

表3 轉(zhuǎn)速對(duì)比差值

圖6 電機(jī)效率測試曲線（室溫）

圖7 V-F曲線

圖8 各頻率下電機(jī)效率對(duì)比

4 結(jié)語

本文基于電機(jī)設(shè)計(jì)基本原理和有限元軟件仿真，通過模擬對(duì)比3.5 kW和15 kW電機(jī)在不同運(yùn)行環(huán)境溫性能，分別計(jì)算鑄銅轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子的效率和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。通過理論和試驗(yàn)得到如下三個(gè)重要結(jié)論：

1）5 PH壓縮機(jī)，在工頻50 Hz下，壓縮機(jī)采用鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)性能均得到提升。室溫25 ℃，銅轉(zhuǎn)子的效率，高出0.57 %～1.18 %。在115 ℃時(shí)，銅轉(zhuǎn)子的效率，高出1.13 %～2.47 %；鑄銅轉(zhuǎn)子效率曲線隨溫度和負(fù)載變化更平穩(wěn)，效率和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小。

2）20 PH壓縮機(jī)，頻率30～120 Hz，最大額定功率15 kW，采用鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)，銅轉(zhuǎn)子整體的電機(jī)效率高，40 Hz時(shí)，電機(jī)效率提升3.43 %；60 Hz時(shí)，電機(jī)效率提升2.15 %；40 Hz時(shí)，電機(jī)效率提升1.28 %；120 Hz時(shí)，銅轉(zhuǎn)子效率提升2.54 %，特別是低頻和高頻弱磁情況下，電機(jī)效率提升明顯。

3）鑄銅轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)，在90 Hz時(shí)，電機(jī)效率較60 Hz的提升2.12 %，再繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速仍可以提升電機(jī)效率。鑄銅轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度好與永磁轉(zhuǎn)子，結(jié)合變頻控制計(jì)算和提升壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性，鑄銅三相異步電動(dòng)機(jī)值在變頻壓縮機(jī)領(lǐng)域深入研究和進(jìn)步推廣。