高效率空调压缩机用单相感应电动机分析与设计

田燕飞，陈治宇，张尊睦

(1 广东工业大学，广东广州510006;2 广东美芝制冷设备有限公司，广东佛山528333)

0 引言

“高效率电动机”是早在上个世纪70 年代初期发生“世界性能源危机”而提出来的概念。在我国Y 系列电动机为基本系列电动机，YX 系列电动机为Y 系列派生的高效率电动机，总损耗平均下降28.8%，效率平均提高3%。“节能”、“环保”被称为当今社会进步和经济发展的两大主题。自20 世纪90 年代以来，开发、生产、使用高效率电动机已经逐步成为全球应对“能源危机和环境污染”问题的共识［1］。

空调压缩机用单相感应电动机体积小、结构简单、运转平稳、振动小、噪声低、可靠性高。本文着眼于探讨高效率空调压缩机用单相感应电动机的设计理念，结合空调压缩机对电动机的设计要求，设计了一款1 200W、3 000r/min、2 极单相感应电动机，给出了设计思路，并且利用Ansys/Maxwell 建立了这款电动机的二维有限元仿真模型，重点优化电动机定子冲片，对电动机定子磁密、气隙磁密、输出转矩等进行仿真，并在此基础上制造了样机，完成了测功试验，验证了软件的电磁设计和仿真分析的准确性。

1 单相感应电动机电磁设计

1.1 主要技术参数

本方案电机的主要技术参数如表1 所示。

表1 主要技术参数

本方案设计的单相感应电动机效率期望在η=85%以上。

1.2 单相电动机主要尺寸的确定

电动机的主要尺寸参数和计算功率、转速、电磁负荷有关［2］

式中，Di1—定子内径;nN—额定转速，取3 000r/min;L—铁心长度;P—计算功率，取1.15×PN=1380W;极弧系数Kφ—气隙磁场的波形系数;KW—基波绕组系数，本款电机电磁方案采用单层和双层混合绕组;A—电负荷，取A=170A/cm;Bδ—气隙磁密平均值。根据电机额定功率和机壳的要求，取Di1=123mm，L=105mm。

1.2 电枢冲片的设计

空调压缩机轭部冷媒通道指电动机定子铁心轭部供空调压缩机冷媒和冷却液沿电动机轴向充分流动的通道。空调压缩机轭部冷媒通道设计要求在电磁设计中定子冲片轭部“空出”足够的截面积［3］。

定子冲片轭部“空出”截面积的方式(冷媒通道方式)包括在轭部切边、切弧和开孔等方式，也可以是这些方式的组合。根据压缩机的要求，本设计的定子切边通气面积要求必须为355mm2，这样才能保证压缩机正常工作。

(1)轭部冷媒通道型式定子轭部四切边，直边热套定位，定子每个切边通气面积为89mm2，这样切边简单、方便，如图1 所示。

图1 定子轭部切四边，直边热套定位

(2)轭部冷媒通道型式定子轭部六切边，直边热套定位，定子每个切边通气面积为59mm2，这样切边定子轭部宽度相对四切边均匀，如图2 所示。

图2 定子轭部切四边，直边热套定位

(3)定子轭部切弧，直边热套定位，每个直切边通气面积为59mm2，圆弧切边面积为237mm2，这样的定子冲片轭部宽度比四切边和六切边更加均匀，如图3 所示。

图3 定子轭部切圆弧，直边热套定位

该款单相感应电机，定子轭部磁密过高，会增加铁耗，然而要提高该款电机的效率，降低铁耗是一个很有效的方法。根据设计要求，既要保证定子轭部冷媒通道面积，又要保证热套定位的接触面积，为了在电机旋转的每一个时刻，定子轭部磁密都不至于饱和，所以设计了第三种定子冲片切边结构，这种冲片能够有效地降低电机铁耗，达到提高效率的目的。

1.3 定子大小槽配合的设计

本文设计的电动机采用大小槽结构，定子冲片切直边处轭部宽度明显小于其他部分，为了使电动机轭部宽度均匀，在旋转过程中定子轭部磁密不至于过高，该处采用小槽结构，如图4、图5 所示。

图4 定子大小槽结构

图5 定子大小槽结构对比

2 单相感应电动机结构

单相感应电动机主要结构参数如表2 所示。

表2 电动机主要参数表

将利用RMxprt 建立的电机模型导入Maxwell 2D 中，通过定义电动机各部分材料和边界条件，施加激励源和进行网格剖分等步骤［4］。建立单相感应电动机的二维有限元模型，如图6 所示。建模过程如下:(1)根据已知参数输入到RMxprt 模块;(2)导入Maxwell 2D，建立单相无刷直流电动机的二维有限元模型;(3)确定定子、转子冲片材料属性，转子铸铝材料;(4)确定有限元计算的剖分、激励源及边界条件，确定电动机求解过程中的各种损耗;(5)确定电动机额定负载、求解时间的步长、运动边界条件等。

图6 电动机二维模型

3 电动机有限元仿真结果及分析

3.1 电动机起动过程及稳定运行

利用Ansys 软件的Maxwell 2D 求解，得到样机起动过程转速波形如图7 所示。从图中可以看出电动机稳定运行时转速接近3 000r/min，且运行稳定。从得到的样机起动过程电磁转矩波形(如图8所示)可以看出电动机稳定运行后，电动机负载转矩平均值为3.9N·m。得到电动机起动过程电流波形如图9 所示，起动初主绕组电流比较大，达到稳定后主副绕组电流才接近，从图中可以得出，稳定后主绕组电流为4.2A，副绕组电流为3.95A。

图7 起动过程转速波形图

图8 起动过程电磁转矩波形图

图9 起动过程电流波形图

3.2 电动机磁密及铁耗

利用软件的Maxwell 2D 求解，得到电动机的气隙磁密波形如图10 所示，从图中可以看出气隙磁密最大值不超过1T，平均值为0.73T;电动机轭部磁密波形如图11 所示，从图中可以看出电动机轭部磁密最大值不超过1.5T;电动机齿部磁密如图12 所示，从图中可以看出电动机齿部磁密不超过1.6T。由此可知电动机定子铁心磁密都不超过硅钢片磁密的饱和值1.65T，满足设计要求。

图10 电动机气隙磁密波形图

图11 电动机定子轭部磁密波形图

图12 电动机定子齿部磁密波形图

通过仿真，得到电动机的铁耗曲线如图13 所示，计算出电动机稳定运行时铁耗平均值为43W。采用本设计的定子冲片和大小槽配合，很有效地减少了电动机的铁耗，达到了提高效率的目的。

图13 电动机铁耗曲波形线

5 制作样机试验验证

根据上述参数制作了样机，并对样机进行了测试，Maxwell 2D 模型计算值和样机试验值比较结果如表3 所示。

表3 计算值和测试值

从表3 可以看出，用Maxwell 2D 计算的理论值跟样机的实验值比较接近，误差都在5%以内，验证了Ansys 软件设计的准确性和本设计方案的可靠性。

5 结语

本文设计了一款1 200W、3 000r/min、2p 空调压缩机用单相感应电动机，重点对定子冲片切边和定子大小槽配合进行了研究。本文使用Maxwell 2D 软件对该电动机进行了仿真，对电动机的铁耗进行了分析，最后试制了样机并进行试验，试验结果与仿真结果接近，验证了本设计的可靠性。

［1］ 唐开山.高效节能电机技术发展动态，［J］.2010.广西轻工业，24-26

［2］ 川平睦义［日］著;张友良，彭伯彦，译.封闭式制冷机［M］.北京:轻工业出版社，1987.4.

［3］ 陈世坤.电机设计［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［4］ 李帅，彭国平.Ansoft EM 在电机设计中的应用［J］.微电机，2004，37(74):21-24.