空调压缩机中永磁同步电机的损耗分析

空调压缩机中永磁同步电机的损耗分析

陈东锁 卢素华 陈 彬

（国家节能环保制冷设备工程技术研究中心 珠海 519070）

摘要：在空调系统中，电能主要用于压缩机运转，因此提高效率对于开发高效压缩机非常关键。为了提高永磁电机的效率，需要减少各种形式的电机损耗。永磁同步电动机其运行频率经常发生变化,致使电机内部的损耗随之改变。本文分析了影响永磁电机损耗的主要因素及其变化规律，得到一些对电机参考设计具有指导意义的结论。

关键词：永磁同步电机；有限元；铁耗；铜耗

Abstract：In the air-condition system, most of the electricity is consumed for operating the compressor.

Therefore, developing a high efficiency compressor is necessary to increase the energy efficiency. To increase the efficiency of the PM motor, a reduced multiform loss is needed. The operation frequency of permanent magnet synchronous motor (PMSM) varies frequently, and its losses change correspondingly. In this paper, the main factor which affects losses and its variation were investigated, some conclusions which have guiding significance for the reference design of the motor were obtained.

Key words：permanent magnet synchronous motors；finite element；iron loss；copper loss

引言

电机作为空调压缩机的核心部分，其效率的高低直接影响压缩机COP大小，所以提高电机的效率成为提高压缩机能效的主要途径。永磁同步电机具有体积小、效率高、输出转矩大等特点，应全球节能要求，永磁同步电机逐渐取代异步电机广泛应用于空调压缩机中。

为提高电机效率，首先需要分析电机损耗。电机损耗主要包括铜损、铁损、机械损及杂散损耗，如果能在设计电机结构时合理分配各损耗，则能使电机效率达到最优。

1永磁电机中的损耗

电机损耗直接影响电机效率，同时也是电机温升的来源。电机损耗可分为铜耗、铁耗、杂散损耗和机械损耗。其中铜耗即电机绕组上产生的损耗；铁耗指铁心中磁场变化而引起的损耗，包括磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗；杂散损耗是指其他损耗的统称，主要来源于电机内的漏磁场和谐波磁场；机械损耗是指轴承摩擦损耗、转子旋转时引起转子表面与冷却气体之间的摩擦损耗等。

1.1 铜耗

根据焦耳定律，电机的铜耗与电机绕组阻值和绕组内的电流有关，其计算公式如下：

P I R

3

Cu

2

=（1）式中I为绕组相电流；R

为绕组相电阻，其中：

（2）式中：ρ——铜线电阻率；L av——半匝线圈长

N——每相绕组串联匝数； N t——并绕根数

a——并联支路数 d——铜线直径

永磁电机中由T=K t I可知，

P

W

R

W d

NL

Cu

av

22222

U U

d d

U U

（3） ——气隙磁通 ——绕组因数

根据上述可知降低铜损的方法有：增加导线截面积、缩短绕组端部长度，工艺上提高绕组因数和槽满率，合理选用和设计磁钢，以保证足够大的气隙磁场。

1.2 铁耗

铁耗是永磁同步电机的另一主要损耗，铁心损耗来源于电机内电磁场的变化。变频电机中，随着转速的增加，电机铁心损耗逐渐增加，且增加的速度越来越快，在高频时铁心损耗逐渐成为电机内部的主要损耗。

较为精确的铁心损耗计算方法是以电机电磁场计算为基础的分立铁耗计算模型，将铁耗分为涡流损耗 p e 、磁滞损耗 p h 和附加损耗 p exc ，分别进行计算。

p p p p Fe h e exc =++ （4） 式中 p Fe ——铁芯损耗；p h ——磁滞损耗p e ——涡流损耗；p exc ——附加损耗其中：

()P K fK B B h h m m a

= （5）

()P K f d dB d 2e e 2

22r i i i =r

#

（6）()P K f d dB d 2..exc exc 150215

r i i i =r #

（7） 其中、为磁滞损耗系数，

为交变磁场波的频率，为磁场波的幅值，，

为硅钢片的磁通密度波，

为经典涡流损耗系数，

为附加损耗系数。

从式（4）（5）（6）（7）得知铁损主要与铁芯中的磁通密度、材料厚度及特性有关，在电机设计上，选用高性能的硅钢片、降低齿轭部的磁密、合理设计扣点位置、数量大小等都是降低铁损的途径。

1.3 杂散损耗

杂散损耗又称附加损耗，是由定子电流和转子永磁体产生的漏磁场及高次谐波磁场，以及由气隙磁场变化而引起的损耗。永磁同步电机气隙磁密中含有丰富的谐波分量，减小杂散损耗必须从削弱谐波入手。

为了减小杂散损耗，具体的方法从下面四个方面着手：(1) 采用合适的极槽配合，提高基波绕组因数；

(2) 适当增加气隙长度，随着气隙的增大，气隙磁场基波磁密和谐波磁密均相对减小；

(3) 利用不均匀气隙改善空载气隙磁密波形，降低气隙中磁场谐波；

(4) 通过选择合适的绕组型式和节距，如采用短距绕组，削弱相带中的谐波分量，减小绕组中谐波电流的含量。

2 电机效率优化研究

电机优化设计是通过选择合理电机尺寸，从而获得较优电机性能，如提高转矩、提高效率、降低转矩波动、降低温升等。

本文针利用有限元软件MAXWELL 仿真不同电机叠高、不同永磁体尺寸的电机效率趋势。通过对比分析，找到了电机叠高和永磁提尺寸对电机效率的影响规律，从而为永磁电机的设计及进一步优化提供理论依据。本文中采用的电机模型如图1，主要参数见表1。

2.1 电机铁芯叠高对效率的影响

不同的叠高可以平衡铁耗和铜耗的分布，最优的叠高不仅要满足能效的要求，同时也要兼顾成本。假设样机反电动势、槽满率相同，铁芯冲片结构不变。

随着叠高增加，铁耗几何增加，同时由于电阻减少，电机的铜耗降低，在一定叠高范围内，铜耗的降低幅度要大于铁耗增大幅度，电机的效率上升。但叠高增加到一定程度，电机效率趋于不变，甚至降低，即存在一个最佳的叠高。

从图2中可以看出，损耗随叠高的增大逐渐减小，但减小的趋势越来越小。本例中，叠高大于46mm 后，损耗降低不再明显。出于成本和性能的综合考虑，本例叠高选择为46mm。

2.2 永磁体尺寸对效率的影响

图1 电机二维模型极槽数

4/6定子内径61mm 定子外径112mm 气隙长度0.6mm 额定转矩 2.05中间转矩

1.775

表1 样机主要参数