基于JMAG电磁仿真的空调压缩机用永磁电机开发

施文杰

（上海海立电器有限公司，上海 201206）

1 研究背景

本研究的设计基准为SG直流变频电机（壳径112．2mm），设计来源早年的日本技提，原有设计为分布卷电机，分布卷电机因为磁动势高次谐波成分小，所以具有低噪音的优点。同时由于跨越几个槽间隔卷绕，所以产生了无助于转矩的线圈端部的周长延长，占全损耗的铜损比例增大。因此，采用在一个齿上绕线的“集中绕线”方式有利于提高电机效率以及减少电机用铜量，降低电机的整体成本。集中绕线的磁动势分布，在结构上，因为相对于分布绕线的正弦波呈矩形波分布，所以含有高次谐波成分。因此，有必要在高效的集中卷电机的形式下，研究新的降噪方式，达到高效、低噪音的目的。现有空调压缩机的常规集中卷形式为4极6槽，为降低噪音与振动，初步方向为增加电机极对数，以期降低电机震动，改善电机及压缩机整机的噪音。后续实际分析发现，其对整体优化不足，因此改为在转子上增加切边的形式进行改善。先期探讨了9槽6极集中卷电机在压缩机中的应用，发现其相对于6槽4极电机噪音改善得不明显且效率有较显著的下降。因此采用了转子切边的设计，通过J-MAG电磁场分析推算其对噪音改善的影响并装机确认。后续实际装机分析了此款电机的实际压缩机性能及改善噪音的情况。最终在6槽4极电机的形式下，开发ASG集中卷电机，在保持较高效率的情况下，降低噪音。

2 电机及压缩机效率比对

首先在D系列（107．15mm外径）中进行9槽6极电机的设计，探讨增加电机极对数对于电机性能的影响。通过电机实机测试可见，在相同的工况下，9槽6极电机除了在低速高扭矩的工况下效率稍高之外，在2000及3000转时，效率均低于6槽4极电机。根据损耗分析可见，随着扭矩的增大，运行电流增大，铜损比例增加，铁损的比例逐渐减少。但是在高速段时，铁损成为了主要损耗，且9槽6极电机的铁损比例远高于6槽4极电机。由于9槽6极电机极对数为3，高于普通的6槽4极电机的2对，因此在电机驱动时相对比较困难，限制了电机的最大转速。若需要更大的电机转速，则需相应增加驱动模块的负担及其成本。以本回检讨的9槽6极电机装机并参照本社定格工况进行压缩机冷力实验，与原有数据比较。通过定格点的数据比较可知，9槽6极电机的运行电流较大且效率平均低4～5%左右，不符合两者电机效率的差异。由此可见，尽管两者的电机效率差距不大，但是在压缩机效率上有较大降低，采用9槽6极形式降低噪音的方式会损失较多的效率，在现有空调压缩机效率要求越来越高的前提下，此方案无可实行性。需要另外寻找技术手段改善电机的噪音和震动，且电机和压缩机效率不可以有所下降。

3 有切边转子组件设计的探讨与分析

（1）有切边转子形式。切边形式见图1。 通过在转子铁心上增加如图切边，并且在叠装时采取分段式的方式，可以平衡转子运行时所受到的径向力，减少因此引起的噪音与振动。期待使用此方式改善电机的噪音与震动，由于此方式对于电机整体没有巨大的结构性的改变，因此推测其电机效率不会有太大差异，且基本不需修改电机驱动，设备投资与适配均较方便。

图1

（2）转子有、无段差的电磁场分析。①运行模型。在实际进行装机试制前，先行使用JMAG电磁仿真软件进行电磁场分析。采用此有限元方式，可以减少研发周期，且降低试制成本。从长远来看，对于各电机设计及研究部门来说，具有很大的实用价值。定子：ASG集中卷电机定子，117匝绕线，新日铁35H250电磁钢板，55叠高；转子：N42SH磁铁（20℃），新日铁35H250电磁钢板，55L，有、无段差各一；测试工况：3000rpm，8A运转电流；使用J-MAG studio 9．0 进行计算；使用有限元分析对以上模型进行仿真，确认切边是否有实际作用。待理论验证后，再进行实际装机的最终确认。

②发电电压比较。使用以上模型，计算3000rpm时2种转子使用相同定子的发电电压。有段差转子发电电压：34．88V/Krpm（线电压）；无段差转子发电电压：35．52V/Krpm（线电压）。有段差转子发电电压下降1．8%，估计为转子增加了切边，因此造成实际的平均气隙扩大。但是其波形相对比较平滑接近正弦波。发电电压波形更加接近正弦波的话，有利于电机驱动的控制，因此推测其对于电机效率的整体影响不大。

③扭矩比较。计算无偏心量、0．1mm及0．2mm偏心量时，比较2种转子的扭矩。两种转子扭矩随偏心量大小变化不大，有段差转子平均扭矩3．85Nm，无段差转子平均扭矩3．91Nm，下降1．5%，与发电电压变化量相近，同样是由于切边增加了气隙大小所造成。两种转子扭矩波形上有较大的变化，说明段差对于电机的运行有较明显的影响。其对于电机效率的变化后续进行确认。

④偏心力比较。计算无偏心量、0．1及0．2mm偏心量时，比较2种转子的偏心力。虽然两种转子的平均偏心力变化不大，但是有段差转子峰-峰值有较明显下降。实际仿真后得知，在偏心量为0的情况下，峰-峰值差异不大。但是一旦有了一定的偏心量（0．1或0．2mm）。电机偏心力会有较大差别。在0．1mm偏心量下，无端差的偏心力由49．858Nm降低到了44．207Nm。若偏心量增大到0．2mm的话，则其值会由97．933Nm降低到87．317Nm。由于实际装机时无偏心量为理想状况，实际均会有0．1到0．2mm的位移，因此可见，此结构对于保持电机整机的稳定有着明显的优势。可以看出，在有偏心量时，偏心力平均值下降1．2%左右。峰-峰值有较明显的下降，下降11%左右。由先期的J-MAG电磁场分析计算可以得知，由于平均气隙增大，电机的发电电压及扭矩均稍有下降，但是其偏心力的平均值及峰-峰值的减少也很明显。预期电机及压缩机效率会稍有降低，但可以达到降低噪音的目的。

4 压缩机性能及噪音比较

（1）压缩机冷力性能比较。由于原有进行电磁仿真的结果表明，增加端差对于电机效率的影响不大，但是可以有效降低电机本体的噪音与振动，因此对于本款电机，进行实际的装机测试，以确定转子扭斜对其冷力性能的实际影响。根据实际压缩机实验结果可见，有、无段差品的压缩机冷力性能大致相当，且其二次侧COP大致相当，均为4．5左右，由此可见，转子组件的切边对于压缩机整机的冷力影响不大，若整机测试压缩机噪音有所改善，即可达到原有的设计目的。

（2）压缩机的噪音性能比较。同样对于以上有、无段差品进行压缩机噪音实验：由实际装机的实测数据表明，虽然有、无段差转子的压缩机OA值差别不大，但是段差品的振幅及振动加速度均有较明显的降低，与之前J-MAG电磁场分析的结果相符。同时，在较为关注的200～400 H z频段，压缩机的噪音有较明显的改善，说明段差品可起到改善噪音的效果。在各运行频率下的噪音曲线见图2，可较为直观的看出，在200～400 H z频段，改善较为明显。同样为4极电机，有段差转子此频段的分贝值明显低于普通品，且上升较为平缓无尖峰，对于人耳的影响较小，听感相对舒适。

图2 实测运转频率67Hz的压缩机OA图

5 结语

本文主要介绍了ASG集中卷电机（112．2mm壳径）在设计过程中所探讨使用的降噪措施。在设计前期首先探讨使用了增加极对数的方式降低噪音，但是由于损失效率较大且噪音改善不明显，因此改为使用转子切边的方法。通过J-MAG电磁场分析，从理论上确认了此方法的可行性。后续通过压缩机装机，证明了转子组件切边的形式，可以达到较少损失效率的前提下有效降低噪音的目的。在研究过程中，使用了JMAG的有限元分析方式，降低了电机实际装机和试样的时间及金钱成本，达到了加快研究进展、提高研究效率的目的

参考文献：

[1]福田务等．电气理论[M]．科学出版社,2001．

[2]李恺 ASG133RD第三代泵体方案单体冷力试验汇总对比，2010，10．