热泵用涡旋压缩机电机的改进设计

2020-11-28

中国科技纵横 2020年15期

（江森自控日立万宝压缩机（广州）有限公司，广东广州 510900）

0 引言

在对热泵用涡旋压缩机电机进行优化的过程中，应当基于热泵用涡旋压缩机在实际运行过程中存在的特点来进行分析，从而基于其与运行过程中的实际性能要求与表现来完成对压缩电机的设计优化与改进。

1 热泵用涡旋压缩机的运行特点

从工作原理上进行分析可以发现，主要使用热泵用涡旋压缩机来完成相关工作的热泵热水器与常规空调器、制冷机组之间并无较大的差异，都是基于热力学第二定律的运用，通过压缩机完成做功，以此来进行热量的吸收与释放。而对热泵用涡旋压缩机的运行特点进行分析的过程中，应当注意的是由于其与空调在应用领域之间存在的明显差异，这也使得其在实际应用与设计的过程中与空调存在着区别[1]。比如，热泵用涡旋压缩机在使用的过程中，通常具有全年运行时间长、冷凝温度高、冬季运行压比高的特点。同时，在对热泵用涡旋压缩机的转矩与运行范围进行分析的过程中，基于十马力空调压缩机与热泵用涡旋压缩机之间的对比分析可以发现，其额定转矩虽然有所重叠，但热泵用涡旋压缩的电机转矩在整体上要高于空调用涡旋压缩机的10%，并且运行范围内的热泵压缩机在运行的过程中对电机所带来的影响也更加的明显。

2 三相永磁同步电动机的结构特征

在现阶段热泵用涡旋压缩机中，其所使用的电机通常为交流异步电动机，而这类电动机在结构设计上是基于对定子绕组、转子鼠笼绕组之间所形成磁场的相互作用而实现其自身的启动与运行的。由于转子鼠笼绕组励磁损耗的存在，使用该类电机热泵用涡旋压缩机运行效率不高。

采用三相永磁同步电机的热泵压缩机，其定子结构等同于交流异步电机定子，转子无鼠笼绕组，其铁芯内置高效钕铁硼永磁体形成转子磁极。其运行原理为：当电动机处于静止时，在定子绕组中通入三相对称电流，在通入电流后就会在定子绕组中形成相应的旋转磁场。由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，此时电动机进入到同步运行的状态。当上述定子绕组通入的三相电流由变频器调制而成，定子绕组中形成的旋转磁场速度变得可控，电机转速变得可调。此时电机即为变频调速永磁同步电机。因此从结构特点进行分析可以发现，永磁同步电动机的运行是基于转子永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用产生驱动转矩对外输出做功。而这种结构特点也使得永磁同步电动机自身具有损耗低、温升低、功率因数高、效率高、功率密度高、振动噪音低的特点。

3 热泵用涡旋压缩机电机的改进设计

3.1 电机优化设计思路

结合三相永磁同步电机运行特点进行分析可以发现，对三相永磁同步电机进行进一步优化的关键点在于把握热泵用涡旋压缩机的运行特点。现将一款十马力热泵压缩机电机作为基础，通过对压缩机和电机分析，来实现对热泵压缩机电机的全面设计与优化[2]。与空调用压缩机电机相比，热泵用涡旋压缩机由于其运行特点，其电机运行环境更加恶劣。故针对热泵用电机的设计优化重点放在了电机绝缘等级优化与电机转矩的提升上。以我司某款热泵用涡旋压缩机电机作出的改进设计为例，其采取在绝缘等级优化与电机转矩的增大上分别采取了以下措施：

（1）绝缘等级优化。在该案例中设计人员首先根据热泵热水器用压缩机全年运行时间较长，且冬季高压运行、环境温度低、冷媒流量小、线圈温度容易过高；夏季高负荷运行、蒸发温度很高、冷媒流量大、压缩机负荷大的特点，从绝缘等级综合性提升出发进行优化，以防止电机绝缘容易老化而导致压缩机使用寿命受影响的问题。在进行设计优化的过程中，首先应当注意的是由于电机内部的绝缘材料存在着一定的差异，并且所能够承担的温度限值也是不同的。从国际电工协会的规定来看，绝缘材料被划分为了7个等级，而在我国电机设计中应用较为普遍的为其中105、120、130、155、180等级。从热泵用涡旋压缩机自身发热对绝缘寿命带来的影响来看，当设备的绝缘在热泵用涡旋压缩机的额定温度限值下持续运行的合理寿命平均在7年以内，由此根据相应的公式进行计算后可以发现，当电机设计的绝缘等级为130、155、180时，其以相应的温度上升值大约为10℃、12℃、14℃，而在这种情况下电机的综合使用寿命会下降至原使用寿命的一半左右。空调用涡旋压缩机电机，其所采取的绝缘等级设计通常为120级，电机的耐热温度为120℃，在对其进行优化改良的过程中，出于提高热泵用涡旋压缩机电机综合使用寿命的目的，在进行优化设计的过程中，采取了将电机绝缘等级提升至155级的措施，令电机的耐热温度到达了155℃，从而使其自身在使用的过程中可以良好地承受热泵用涡旋压缩机运行过程中产生的热量，以保障自身运行的稳定性。

（2）最大转矩提升。在对热泵用涡旋压缩机进行设计优化的过程中，从电机的匝数与输出功率之间关系进行分析可以发现，电机的匝数与电机的轴输出功率之间是反比关系。因此，在提升电机轴输出的过程中，应适当对电机的匝数进行削减，同时适当增大线径，保证电机运行效率。对于永磁同步电机，电机输出功率还与磁通量大小成正比，因此可适当选取更高牌号的钕铁硼磁铁，提高电机主磁通，进而增大电机输出力矩。在进行优化的过程中，对电机最大转矩进行提升的目的主要在于实现对电机出力范围的提升，从而使热泵用涡旋压缩机电机的运行效率得到保障，并实现了对电机发热量的有效控制，令电机的运行更加平稳。此外，在对热泵用涡旋压缩机电机进行优化的过程中，现阶段的研究往往会基于其自身的电机转矩特性出发，对热泵用涡旋压缩机结构设计进行不断的尝试与革新。例如，在技术优化的过程中，为了有效解决槽宽与齿部宽度之间存在的矛盾，而采取了横向磁通电技术，如此一来，电机内部的电枢线圈便可以实现与齿槽结构在空间上的垂直，以此使主磁能够沿着电机的轴向进行流通，使电机的功率密度得到了大幅度提升。当然也可以通过转子结构优化，优化电机磁路，以此增大永磁同步电机转子凸极比,提升电机磁阻转矩，也可使电机输出转矩大幅提升。

3.2 仿真试验分析

为了对案例设计优化方向的可行性进行判定，确保热泵用涡旋压缩机电机在经过优化后的综合效率能够得到保障，其在对设计方案进行优化的过程中，采取了有限元软件磁场分析计算与实际电机试制试验两种方法进行了案例设计方案的综合判断[3]。而在基于有限元软件磁场进行仿真计算得到相应的电机磁场密度云图后，采用试制电机，在380V/50Hz条件下进行了性能实验，并且在性能实验中所使用的是具有转动惯量低、高精度伺服马达对拖式测功机。在完成性能实验后，结合仿真实验的结果与相同容量的空调压缩机电机样机进行对比后可以发现，仿真实验与样机实测的结果均表明热泵用涡旋压缩机电机的输出要高于同功率下的空调压缩机。例如，以样机实测所得的结果进行对比后可以发现，热泵压缩机电机与同功率的空调压缩机用电机相比，热泵用涡旋压缩机电机在最高效率上提升了4.13%，而电机的最大转矩增大了15.38%，电机高效率运行范围由46.8%提升到81.3%。