空调压缩机用单相异步电动机设计

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空调压缩机用单相异步电动机设计

王烈萌
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  P  i3 f* Z* |! H& F　　空调压缩机是制冷系统中的心脏,其驱动电机的性能和质量举足轻重。设计该电动机的就要使其既能在压缩机中长期稳定地工作,又能同压缩机体达到最佳的匹配,从而提高压缩机的性能指标,获得最好的经济效益。
3 E) k4 A+ m6 `' Y8 R2 O8 w　　空调压缩机电机按其供电的相数,可分为三相和单相异步电动机,其中三相异步电动机主要用于3HP以上的大功率压缩机和变频压缩机,一般家用3HP以下的空调器压缩机大部分采用单相异步电动机,而该类单相异步电动机又可分为PSC(Permanent Split Capacitor ?电动机和CSR ? Capacitor Start and Run ?电动机,前者电路简单,可靠性高,但起动转矩较小;后者由于使用了起动电容,所以起动转矩增大。本文讨论的对象,主要是家用空调器压缩机用PSC单相异步电动机(以下简称压缩机电机)。
5 O& u* s- E9 X　　1 定、转子冲片的设计
　　目前世界上所有的家用空调器压缩机都是在美国GE公司开发出的压缩机基础上发展起来的,所以按其外圆尺寸的英寸值分,有39系列、44系列、48系列和55系列,其定子外圆尺寸分别为3.9″、4.4″、4.8″、55″。当定子冲片外径D1确定后,按经验公式选取定子冲片内径Di1:
3 P" p; v4 T: [  ^" n# A　　Di1=cm
" `6 H5 |$ i. `4 K0 Y& m+ ]1 ^　　定子冲片内径Di1的大小,将会影响定、转子的齿部、轭部的磁密的比例。一般来讲,Di1增大,会导致cosφ的增加和η的下降;Di1减小,会导致cosφ的下降和η的提高。定、转子气隙长度g对电机的性能有很大的影响,由于压缩机装配的特殊性,压缩机电机的定、转子气隙长度g一般取0.05cm。定子槽数Q1的选取要保证每极槽数应为整数,39系列一般取20个槽,44系列、48系列和55系列一般取24个槽。定子槽形常用梨形槽,槽形的设计通常使齿宽相等。参考数据见表1。
　　为了节省材料,定子冲片多采用圆切方的外形,在切方处保证轭高相等,也有在此处采用小槽设计。定子内径Di1和定、转子气隙长度g确定后,转子的外径D2= Di1-2g。转子槽数Q2必须与定子槽数Q1有恰当的配合,如果配合不当,会使电机的性能恶化,例如有可能导致附加损耗、附加转矩、振动与噪声增加。从而使效率降低、温升增高、起动性能变坏、甚至无法起动,压缩机电机的转子槽数,一般取30或34,槽形一般取梨形闭口槽,平行齿,槽口高hro取0.02～0.03cm,平均齿宽t2取0.2～0.3cm。定、转子冲片设计还需根据电磁计算的结果作适当调整。
8 N3 r* P+ q" g! f5 j　　2 绕组设计
: W8 X; S8 ~6 O7 x& Q　　定子绕组按结构形式,通常有双层绕组、单层绕组、集中绕组、分布绕组等。压缩机电机一般采用单层集中绕组。由于正弦绕组在压缩机电机的生产工艺中会有一定的困难,所以一般不采用。每相串联导体数Zφ1可以气隙磁通密度Bg为依据来选取,气隙磁通密度Bg一般取6500～7500Gs。线径的选取要考虑到压缩机电机的效率、电流密度和槽满率。压缩机电机的效率一般设计在80?82%。由于压缩机电机采用的漆包线耐温等级较高,以及电机有制冷剂将热量带走冷却,所以电流密度可设计高一些,一般可取7～8 A/mm2。槽满率对于机器嵌线可设计在75%,手工嵌线可设计在80%。压缩机电机转子一般采用铸铝鼠笼转子,端环的设计要考虑到与压缩泵之间有足够的安全距离以及转子电阻对电机性能的影响,所以两端环的设计尺寸可有所不同,转子导条斜槽度一般取1～1.5倍的定子齿距。
3 s& z4 ?0 X: N- A# k. X# O　　3 电磁设计
8 n1 j/ n* q9 @/ k9 F　　从公式中:
　　=
　　电机的主要尺寸决定于电磁负荷A和Bδ,电磁负荷愈高,电机的尺寸将愈小,对于旋转式空调压缩机,一般要求小型化,所以电磁负荷都取得较高,气隙磁密Bδ取6500～7500Gs,线负荷取200～500A/cm ,定、转子各部分磁密选取见表2。
1 Y8 m% N1 ^* _- W) ~, P0 m  F1 \　　为适应制冷系统中,高、低压工况的不同,其冷凝压力随周围温度及制冷剂蒸发压力的变化而变化,要求压缩机电机具有在重负荷下起动的特性,在设计时在保证压缩机电机效率的前提下,提高电机的起动转矩,一般要求有0.4的起动转矩倍数。压缩机电机的最大转矩表征其过载的能力,考虑到制冷系统的工况的变化或其他因素的变动,需要在重负荷下运行,同时如出现电网的电压波动,压缩机电机的最大转矩要尽可能地提高,根据转矩与电网电压的平方成正比,若压缩机电机在满载的条件下,要求它在电网电压下降到75%的额定电压仍能工作,电机便应具有1/0.752=1.8倍的过载能力倍数,所以1.8倍过载能力是保证压缩机电机能稳定运行的起码要求。
# T) ~5 S! ^3 P+ c# Y$ O1 c/ p　　4 材料的选取
　　压缩机电机要在高温、高压的制冷剂和冷冻机油的混合物中工作,特殊的工作环境决定了该类电机必须具备较好的耐制冷剂的化学稳定性及耐热性,能经受周期性的振动和不规则的冲击,同时还要求该类电机必须具有较大的起动转矩和最大转矩,较高的效率,所以压缩机电机在选材时必须考虑到众多的因素。硅钢片可选用全工艺型的50W470、50W540,或采用特殊制造的硅钢片,其磁感相当于50W850或更高,但铁损相当于50W540的硅钢片。漆包线采用耐温等级为200级的聚酯亚胺+聚酰胺酰亚胺复合漆包线,由于石蜡对压缩机会带来不良的影响,所以漆包线表面润滑不允许用石蜡。由于空调压缩机内部的温度较高,聚酯薄膜必须具有较高的耐温等级,目前可用的有日本TORAY公司生产的Lumirror X-10、美国DUPONT公司生产的HPMO或MELINEX-238。
5 V6 m7 V& T/ N3 q% g$ _　　槽绝缘采用厚度为0.25mm的聚酯薄膜,槽楔采用厚度为0.30mm或0.35mm的聚酯薄膜,相间绝缘采用厚度为0.125mm～0.25mm的聚酯薄膜。转子铸铝采用含铝量为99.7%以上的高纯度铝。

参考文献
( Z' l5 {) x- H2 C% a- W3 d1，《电机设计》 西安交通大学 陈世坤主编
2，《单相异步电动机》 汤宗武编著