小型空調機用壓縮機的發展近況(三)

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小型空調機用壓縮機的發展近況(三)

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三、壓縮機馬達

　　表9為2000年12月在日本神戶舉行的HCFC替代冷媒與環境技術國際研討會中，日本各大空調機製造廠商所發表之壓縮機與馬達的最新技術。除了以R410A(HFC冷媒)代替R22冷媒應用於小型迴轉式空調機之中以外，與以往最大的不同是包括東芝開利(Toshiba Carrier Co.)、三洋電機(Sanyo Electric Co.)、三菱電機(Mitsubishi Electric Co.)等廠商均是採用集中繞組式馬達取代傳統分散繞組式馬達，以達到降低銅損、鐵損與噪音的目的，而且也降低了壓縮機馬達的製造成本與重量。
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　　針對集中繞組式馬達的詳細介紹，特別摘譯東芝開利(Toshiba Carrier Co.)公司於2000年七月在美國普度大學舉行的國際壓縮機工程會議(2000 International Compressor Engineering Conference at Purdue)所發表題目為"壓縮機用之高效率且低成本的直流無刷馬達之開發" 的論文，見參考文獻1。

　　壓縮機馬達佔空調機中最大的電能消耗量。為了提升節能效果，我們正更換空調機內之壓縮機馬達為高效率直流無刷馬達。我們現在正進行新型壓縮機馬達的發展以達成更高的節能效果。首次採用集中繞組式系統(concentrated winding system)應用於工業界，與傳統分散式繞組系統(distributed winding system)不同的是集中繞組式系統直接將銅線繞在定子核心的齒部上。因此，可以實現高效率，小巧精實，輕量化以及低成本的馬達。而且，藉由新生產系統的設立，我們能夠增進生產力與品質。
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' y" q2 `1 i0 v) y　　從全球溫化抑制與其他環保方面的觀點，促使耗能設備擁有更高節能效率的要求已日益提升。尤其是針對家用設備中消耗最多電能的空調機，各製造商均積極進行節能技術的發展。因此，目前節能型機種比起七年前的機種已降低約50%的耗電量。
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8 O" c5 ?8 S# i2 L1 J2 h　　在有關節能技術最有效的方法方面，各製造商均將壓縮機馬達改用成直流無刷馬達。目前將永磁式磁石嵌入轉子核心內部的內置式馬達(Interior Permanent Magnet；IPM)已經成為主流。以如此的搭配，磁阻扭矩(reluctance torque)可以被有效利用，而且構造也相對的簡單。許多製造商也因此進行磁力導向，多層嵌入配置等的研究與實際應用，也因此提升了效率。

　　最近在此領域中，高磁力的稀土類磁石被用來替代鐵氧磁石而且電機鋼板也做得更薄以達到更高的效率。然而，透過如此的安排對改善效率是有效的，但卻出現馬達成本增加的問題。因此，雖有了節能型空調機卻不如預期般的廣受歡迎。

/ T; j0 H1 G" L5 a# h　　在上述的背景下，高效率且低成本已成為目前壓縮機馬達的強烈需求。然而，傳統型式的馬達在設計與製造上均已達到極限，因此進一步的改良是相當的困難。
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　　我們已特別注重定子的繞組系統而且積極地投入集中繞組式直流無刷馬達的產品發展以替代傳統的分散繞組式直流無刷馬達。比起傳統馬達，我們所開發的馬達同時滿足高效率與低成本的要求並且提升了生產力與品質。此馬達將描述如下。

6 Y5 s# z  l2 k+ e4 C　　圖1是最新型的直流無刷雙缸迴轉式壓縮機的剖面圖。此壓縮機已被開發使用不會破壞臭氧層的氫氟碳(Hydro Fluoro Carbon；HFC)化合物為冷媒。機械部分配置在密閉容器的下部，而將於本文敘述的集中繞組式直流無刷馬達是配置在上部。此直流無刷馬達驅動壓縮機構。



6 n7 W3 _/ _. s% T; D, I4 m　　在機械部分的開發上，將排氣容積最佳化，餘隙容積最小化，改良機械部分的密閉性，降低滑塊部分的摩擦阻抗等等，以發揮R410A高壓小流量的最佳特性。關於冷媒潤滑油方面，採用可與HFC冷媒互溶的人工合成物多酯油(polyol ester oil)，並改良其分子結構使其抗水解性提高，以確保其恰當的潤滑性並維持壓縮機構的密閉性。透過如上所述，空調壓縮機的效率得以在廣泛的運轉條件範圍內均獲得改善。
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　　圖2表示傳統馬達與我們的新型馬達之基本構造。傳統馬達為定子有24槽而轉子有4極採用鐵氧磁石以拱形排列的IPM架構。關於定子線圈，在以前的繞組線圈系統中是採用插入定子槽中。此系統稱為分散式繞組，因為線圈延伸穿過約四分之一圓周的定子核心末端面(the stator core end faces)，它的缺點是線圈的圓周長變長了。


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　　在另一方面，新型馬達的定子有6槽，當轉子與傳統馬達有相同的IPM架構時，轉子的形狀已針對6槽的定子最佳化了。定子線圈使用集中繞組式系統，在此系統中線圈藉由名為繞線筒(bobbin)的塑膠絕緣器直接繞在定子的齒部。使用此種方式，因為線圈延伸穿過定子核心末端面的部份徹底降低了，所以線圈圓周長可以大量的縮短。比起傳統馬達，銅線量可以降低約35%，因而節省資源並降低成本。
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- Z, b/ P1 d% D$ R* `　　另外，定子線圈端的高度可以製成約傳統定子的一半而實現小巧尺寸與輕量化(見圖3)。
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　　直流無刷馬達的損失可以大致分成鐵損與銅損兩種。一般而言，6槽定子與4極轉子的組合會增加漏磁通並降低磁阻扭矩(見圖4(a))。因此，運轉電流增加而造成銅損增加。而且，因為漏磁通與磁場的部分旋轉增加，造成鐵損也增加。關於此新型馬達，轉子與定子的形狀均最佳化以限制損失為最小值。依此方法，磁力扭矩增加(見圖4(b))而能彌補磁阻扭矩的降低。因此，總扭矩是稍微增加(見圖4(c))，而運轉電流是稍微降低。另外，如前所述，藉由線圈周長的大量降低以及利用高密度粗線捲繞，繞組阻抗比起傳統馬達可以降低約40%。正比於繞組阻抗的降低，銅損也跟著降低非常多。結果使得馬達的效率獲得提升。


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2 e' c1 ~5 j4 }- Y, ]) L　　近似於實際使用的運轉情形下之不同轉速的損失情形如圖5所示。此顯示當新馬達的銅損大量降低時，鐵損卻增加了。然而，因為銅損的減低大於鐵損的增加，所以總損失的改善從20%提升至35%，因而提升了效率。



' M3 l$ Z5 ^1 Q$ L　　另外，近似於實際使用運轉情形下之不同轉速的總效率(馬達效率 ×變頻器效率)如圖6所示。此顯示了當全部運轉範圍的效率均獲得改善時，新馬達的效率改善效果在中、低轉速範圍是特別傑出，此範圍銅損所佔的比率特別高。因為在室溫達到設定溫度後，驅動空調機之變頻器在中、低轉速範圍內連續運轉的比率變得特別高，藉由新馬達的使用，空調機在如此情況的省能效果是相當顯著的。



$ t* i6 i9 G: s8 L0 e) i- D; A　　傳統馬達與新型馬達的定子生產製造系統的比較如圖7所示。傳統馬達的生產製造系統經過多年來的修正改良後才達到現今的型態。然而，因為自動化與生產力的改善已達它們的極限了，製造成本的進一步降低是困難的。關於新型馬達的生產製造系統，參考過舊系統後而建構出一套全新的系統並實現了製造成本的大量降低。

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1 i8 d5 O. m* A$ R1 R# w% E8 C　　比起舊的生產製造系統，新型馬達的生產製造系統擁有下列的優異特色。

/ c% r' Q; H7 t  {  _排除了線圈成型過程(一次線圈，二次線圈，與最終修飾)與線圈末端繫結過程，因而大量地降低製造過程的數目。
在傳統馬達的製造中，鉛線連接與中性點連接方法被認為是難以自動化的，因而被大幅地改變以實現全自動化系統。尤其是鉛線連接，我們採用以鉛線連接定子與終端盤之單一步驟方式而發展出全新的終端連接方法(見圖8)。
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全套的產品在重量上被大量地輕量化，而且安裝空間也降低至原先產品的三分之一。
. K4 W5 W7 A4 l生產線工人的數目被降低至原先系統的六分之一，而生產力提升50%以上。
0 n4 `. X7 k$ b, v! V大量降低了設備的維謢與管理成本及更新成本，這些對傳統馬達而言是很大的負擔。
　　如前所述，在傳統馬達中，早先的繞組線圈被插入定子槽中。因為成型過程中，線圈受到反覆地的壓、拉，因此線圈與絕緣層變得容易受損。這也使得器具與設備的維護與管理變得非常麻煩。
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　　然而，使用集中繞組系統的新型馬達，卻是採用沿著喉部之定子齒部纏繞線圈的簡單容易製程。另外，廢除使用容易被壓力或震動損壞的絕緣層，而改用塑膠材質的繞線套筒替代，因此強化了絕緣規格。所以實際消除了會損壞線圈的製造程序，也因此能夠降低製程中的不良率而提升了製造品質。

9 M( H8 Y1 P* Q! l- f4 d　　除了如上所述的主要特色之外，新型馬達還有下列的特色使它成為空調機之壓縮機的優異馬達，例如降低漏電流、降低潤滑油的排出量等。
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　　當使用變頻器驅動壓縮機時，由於冷媒與潤滑油的靜電容量，會產生較高的穿越壓縮機內部繞組與密閉容器間的諧波漏電流，此諧波漏電流與脈寬調變 (Pulse Width Modulation；PWM) 同步。根據日本的法律，此漏電流的數值必須限制在1mA以下。
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$ q2 X) L, [( @$ @- L% r4 L/ a　　不會破壞臭氧層的HFC冷媒與人工合成的多酯油已變成目前的標準組合，此種組合比起傳統的HCFC(Hydro Chloro Fluoro Carbon)冷媒與礦物油的組合有較高的電容率。因此空調機的漏電流有增加的趨勢。雖然，此現象可以經由驅動直流馬達之變頻器所提供的漏電流補償迴路獲得解決，但此方法卻增加了成本。

& V1 ?' i$ z3 R: y　　然而，因為集中繞組系統大量降低銅線的使用量，可能也縮減了磁力線的表面積，因此即使沒有補償迴路漏電流也大量地降低了。

　　在降低潤滑油的排出量方面，為了壓縮機機構的潤滑目的，與冷媒一同進入壓縮機內部的潤滑油必須被封住。所以，當超過規定量的潤滑油與冷媒一同流出至冷凍循環系統時，壓縮機構將過熱並卡住，因而無法壓縮。因此在使用傳統馬達驅動的壓縮機之中，必須在轉子上部提供一油分離機構以限制排出的油量(見圖9)。然而使用新型馬達時，繞組開度比起傳統馬達大，此開度可被有效地利用當成冷媒蒸汽與膨脹後之潤滑油的通路。因此可降低從壓縮機排出的油量，即使在沒有油分離機構的情況下，壓縮機的可靠性也提升了很多(見圖10)。這些特性的使用也可以調和空調機室內、外單元間配管的高壓，因此能夠擴大壓縮機的使用範圍。
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. s( y& \. T+ i( n2 e　　使用我們發展的集中繞組式馬達，可以同時實現大範圍的性能提升與成本的降低。而且，藉由建構符合新型設計的生產製造系統，生產力與品質也可獲得提升。配備此新型馬達的雙缸與單缸迴轉式壓縮機已被安裝在家用空調機內，並成為更大眾化的省能型空調機。節省能源與資源的需求將持續增加。我們因此也從事於更進一步的技術發展以回應如此的需求。
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) _1 I: L8 K: d& e+ |參考文獻
[1]　　Y. Inaba, T. Futami, K. Kawamura, K Fukagawa, K. Imazawa, Toshiba Carrier Corp., JAPAN; "Development of High-Efficiency and Low-Cost Brushless DC Motor for Compressor", 2000 International Compressor Engineering Conference at Purdue, pp.555-562, July 25-28, 2000.

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