錢建忠 李家頌 倪海林 王 釗

（加西貝拉壓縮機(jī)有限公司，浙江 嘉興 314006）

壓縮機(jī)作為一個(gè)高精度高要求的機(jī)電產(chǎn)品，其中電動(dòng)機(jī)部份又被稱為其“心臟”，是電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的重要部件。電動(dòng)機(jī)性能直接影響了壓縮機(jī)的整機(jī)性能，如何有效提升電動(dòng)機(jī)性能和降低制造及工藝成本是一項(xiàng)重點(diǎn)和難點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)鐵心一般用一定厚度的無(wú)取向硅鋼片沖切成要求的沖片并層疊成形，在沖剪成定轉(zhuǎn)子沖片的制程中，鋼帶受到剪切力等作用使沖片局部產(chǎn)生塑性變形，硅鋼片受到機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變的影響，從而使得電動(dòng)機(jī)沖片沿分離線1mm左右的邊緣磁疇會(huì)引起破壞、晶格會(huì)發(fā)生畸變、晶粒會(huì)產(chǎn)生彎曲等情況[1]。定轉(zhuǎn)子硅鋼沖片的導(dǎo)磁性能會(huì)惡化、鐵心鐵損會(huì)升高、磁感會(huì)降低，另外沖片的槽口受沖剪邊緣效應(yīng)的影響，磁阻會(huì)增大，等效于氣隙長(zhǎng)度加大，致使勵(lì)磁電流升高，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)下降；同時(shí)齒部的磁密增加，電動(dòng)機(jī)的鐵損也會(huì)增加，最終會(huì)使電動(dòng)機(jī)的效率和性能下降[2]。一般電動(dòng)機(jī)廠家采用對(duì)定轉(zhuǎn)子沖片進(jìn)行退火蘭化的熱處理方式，以達(dá)到消除內(nèi)應(yīng)力，恢復(fù)改善材料原有的磁性能，蘭化膜起到表面防銹功能。而要進(jìn)行退火處理需要將已沖切成型的定轉(zhuǎn)子沖片放到熱處理爐里進(jìn)行加熱處理，一般退火處理要加熱到近 800℃的高溫，這就需要花費(fèi)較大的能源和時(shí)間。而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綠色低碳環(huán)保要求的不斷提升，變頻壓縮機(jī)的應(yīng)用也日益廣泛，永磁交流同步或永磁無(wú)刷直流等電動(dòng)機(jī)技術(shù)也已較為成熟應(yīng)用于變頻壓縮機(jī)中。對(duì)于一般只在 50Hz工頻運(yùn)行的固定頻率工作的壓縮機(jī)，其電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)又相對(duì)要少[3]，而變頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)就要多些，其運(yùn)行頻率一般有超過(guò)100Hz的變化范圍，而變頻壓縮機(jī)在實(shí)際工作中會(huì)有較多時(shí)間在高頻率高轉(zhuǎn)速下工作。針對(duì)這個(gè)實(shí)際情況，需要進(jìn)一步分析電動(dòng)機(jī)在各頻率點(diǎn)的磁感鐵損值，通過(guò)對(duì)比退火硅鋼片與未經(jīng)退火處理的電動(dòng)機(jī)鐵心的鐵損磁感等的差異分析，結(jié)合電動(dòng)機(jī)效率及變頻壓縮機(jī)整機(jī)性能等多方面來(lái)評(píng)價(jià)其綜合性能與工藝成本的關(guān)系。

1 影響鐵損因素的理論研究

1.1 鐵損同頻率間的關(guān)系

所謂電動(dòng)機(jī)鐵損是指將硅鋼片處于交變的磁場(chǎng)中磁化下所消耗的鐵心功耗，一般以單位重量?jī)?nèi)的功率損耗進(jìn)行度量。根據(jù)Bertotti等人提出的當(dāng)鐵磁性材料在交變磁場(chǎng)的作用下，磁性材料所產(chǎn)生損耗發(fā)熱的不同鐵心損耗分離理論，進(jìn)而進(jìn)行分離疊加后，求得鐵磁材料總的損耗值。鐵損一般包括三部分，即磁滯損耗、渦流損耗、附加損耗[4]。

1）磁滯損耗。當(dāng)磁性材料存于交變的磁場(chǎng)經(jīng)反復(fù)磁化作用，引起磁性由于磁疇的反復(fù)翻轉(zhuǎn)，材料內(nèi)部摩擦發(fā)熱所消耗的能量即為磁滯損耗。

2）渦流損耗。交變的磁通在金屬中會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于該電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流稱為渦流，由渦流引起的損耗稱為渦流損耗。

3）附加損耗。磁性材料工作中所消耗的其他能量稱為附加損耗。

電動(dòng)機(jī)鐵損組成為

式中，F(xiàn)eP 為單位重量?jī)?nèi)的鐵心總損耗（W/kg）；hP為單位重量?jī)?nèi)的磁滯損耗（W/kg）；eP為單位重量?jī)?nèi)的渦流損耗（W/kg）；exP 為單位重量?jī)?nèi)的附加損耗（W/kg）。

針對(duì)式（1）通過(guò)展開進(jìn)一步細(xì)化，可以變換為

式中， Kh為磁滯損耗系數(shù)，f為頻率（Hz），B為正弦波磁密幅值（T），α為可變系數(shù)， Ke為渦流損耗系數(shù)， Kex為附加損耗系數(shù)。

在式（2）中第一項(xiàng)是磁滯損耗值，其磁滯損耗Ph同頻率的一次方和磁密幅值B的α次方成正比；第二項(xiàng)是渦流損耗值，其渦流損耗 Pe同頻率的二次方和磁密幅值B的二次方成正比；而第三項(xiàng)是附加損耗值 Pex，其附加損耗 Pex同頻率f的 1.5次方和磁密幅值B的1.5次方成正比[5]。

這3個(gè) Kh、 Ke、 Kex都是與磁性材料的性能有關(guān)的可變系數(shù)。因?yàn)橄鄬?duì)這3個(gè)可變系數(shù)中的第三個(gè) Kex值要小得多，在很多情況下可以忽略不計(jì)，所以電動(dòng)機(jī)的鐵損又可簡(jiǎn)化為

一般電動(dòng)機(jī)中所采用的無(wú)取向硅鋼片，定轉(zhuǎn)子沖片厚度均較為薄，在工作頻率不是很高情況下，如50Hz工頻或幾百Hz以下，通常取可變系數(shù)取值范圍在1.6～2.2間，一般根據(jù)理論和實(shí)踐取可變系數(shù)2α=是有一定準(zhǔn)確性的，因此電動(dòng)機(jī)鐵損又可簡(jiǎn)化為

對(duì)于式（4）中的不同材料的磁滯損耗系數(shù)hK ，當(dāng)磁導(dǎo)率μ不變或者變化不是很大時(shí)，可用式（5）表示，即

也就是說(shuō)，磁滯損耗系數(shù) Kh同磁導(dǎo)率μ間近似成反比關(guān)系。其中ρFe表示硅鋼片的密度。

而對(duì)于式（4）中的不同材料的渦流損耗系數(shù)Ke，可用式（6）表示，即

也就是說(shuō)，渦流損耗系數(shù)eK同電阻率ρ間成反比關(guān)系，用Feρ表示硅鋼片的密度，ρ表示硅鋼片的電阻率[6]。

通過(guò)上述的公式推導(dǎo)，結(jié)合電動(dòng)機(jī)的鐵損理論分析，由式（4）可以知道磁滯損耗hP與頻率 f的一次方成正比，渦流損耗eP與頻率 f間是二次方的關(guān)系。當(dāng)頻率 f增大時(shí)，總的電動(dòng)機(jī)鐵損FeP 和磁滯損耗hP、渦流損耗eP都會(huì)隨著增大，而渦流損耗eP會(huì)隨頻率f成倍增加。頻率的影響相比渦流損耗的增加值要大于磁滯損耗的增加值，也就是說(shuō)，磁滯損耗增加速度會(huì)小于渦流損耗的增速。從磁滯損耗和渦流損耗的相對(duì)比例來(lái)看，對(duì)于低頻率段，渦流損耗遠(yuǎn)小于磁滯損耗，但到了高頻率段后，因頻率成二次方關(guān)系的影響，磁滯損耗反過(guò)來(lái)會(huì)遠(yuǎn)小于渦流損耗。

1.2 磁導(dǎo)率同頻率間的關(guān)系

除了上述電動(dòng)機(jī)鐵損與頻率間成正比關(guān)系外，還不應(yīng)忽視頻率對(duì)磁導(dǎo)率所產(chǎn)生的影響，因此需要掌握在不同所用頻率下的材料磁化特性。磁感應(yīng)強(qiáng)度同磁化頻率間成反比關(guān)系，即隨著磁化電流頻率的降低，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)升高，而磁化電流頻率升高，磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)下降。當(dāng)采用磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)比較高的磁性材料時(shí)，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略工作頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響。一般來(lái)說(shuō)，頻率對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響也只發(fā)生于磁化電流出現(xiàn)拐點(diǎn)的以下部位[7]。

對(duì)于沖切成型的定轉(zhuǎn)子硅鋼沖片進(jìn)行退火處理的目的主要是促進(jìn)電動(dòng)機(jī)硅鋼沖片中在高溫下晶粒重新組合生長(zhǎng)，恢復(fù)晶體顆粒的有序排列，達(dá)到消除因沖剪過(guò)程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，晶粒組合長(zhǎng)大后達(dá)到降低磁滯損耗的作用，但同時(shí)晶粒長(zhǎng)大也會(huì)使渦流損耗增加[8]。對(duì)于固定工頻的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，在頻率稍低情況下電動(dòng)機(jī)的鐵心鐵損中磁滯損耗占主導(dǎo)地位[9]。因此，從對(duì)電動(dòng)機(jī)鐵心的鐵損、磁感同頻率間關(guān)系的研究，在鐵心不同熱處理方式后進(jìn)行不同頻率段的對(duì)比測(cè)試，值得進(jìn)行相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)。針對(duì)此研究，進(jìn)行了退火蘭化與不退火只蘭化處理變頻機(jī)的電動(dòng)機(jī)鐵心、定轉(zhuǎn)子和壓縮機(jī)整機(jī)不同頻率段的鐵損值對(duì)比測(cè)試。

2 定子鐵心的鐵損測(cè)試

對(duì)于一般生產(chǎn)定頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的廠家來(lái)說(shuō)，通常只使用在工頻下的硅鋼片導(dǎo)磁性能檢測(cè)的設(shè)備。為了能達(dá)到電動(dòng)機(jī)定子鐵心在不同頻率下的磁性指標(biāo)，我們采購(gòu)了根據(jù)愛(ài)潑斯坦方圈測(cè)試原理適用于變頻的專用硅鋼片及鐵心電磁性能測(cè)試的設(shè)備[10]（如圖1所示）。選用某一型號(hào)的變頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)，使用高速?zèng)_床將硅鋼片沖壓疊片成定轉(zhuǎn)子鐵心，各取十套分別跟蹤進(jìn)行熱處理，其中十套只進(jìn)行表面蘭化未經(jīng)過(guò)退火處理工序，使用此臺(tái)專用測(cè)試設(shè)備測(cè)得在 45Hz/80Hz/100Hz/150Hz/250Hz/400Hz的頻率下，磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱磁通密度分別從0.2T一直到2T時(shí)對(duì)應(yīng)的鐵心鐵損曲線，如圖2所示。從圖2中可以看到，在45Hz（因使用的變頻穩(wěn)壓電源限制只能測(cè)到最低為 45Hz，選用更好的電源可測(cè)更低頻率）的頻率段，不退火處理的定子鐵心鐵損比退火處理的定子鐵損值要高；而在高頻率段且磁通密度達(dá)到 1.5T時(shí)，不退火處理的定子鐵心鐵損值同退火處理的定子鐵心鐵損比較接近，但在磁通密度超過(guò) 1.6T后，不退火處理沖片鐵心鐵損值就要比退火處理鐵心的鐵損低，這樣電動(dòng)機(jī)性能會(huì)相對(duì)要優(yōu)些。

圖1 電動(dòng)機(jī)鐵心磁性測(cè)試專用裝置

圖2 不同頻率磁感下定子鐵心鐵損對(duì)比

3 變頻電動(dòng)機(jī)的效率測(cè)試

將上述試驗(yàn)中的經(jīng)退火處理及不退火只進(jìn)行蘭化處理的定子鐵心，按正常生產(chǎn)工藝分別制造成某型號(hào)變頻壓縮機(jī)的定子，搭配同一個(gè)轉(zhuǎn)子，使用電動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)效率的對(duì)比測(cè)試，其測(cè)試值平均結(jié)果如圖 3所示。由圖 3可知，在約 60Hz（1800r/min左右）之前，退火處理定子電動(dòng)機(jī)效率比不退火只蘭化處理的定子效率稍高些，但在中高速的 80Hz后鐵心只蘭化不退火的電動(dòng)機(jī)效率則要好些。

圖3 某型號(hào)電動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下其效率平均值對(duì)比

4 變頻壓縮機(jī)的整機(jī)性能測(cè)試

選取經(jīng)退火蘭化處理的定轉(zhuǎn)子及只經(jīng)過(guò)表面蘭化不退火處理的電動(dòng)機(jī)分別裝配成某型號(hào)的變頻壓縮機(jī)，在量熱計(jì)上按照《GB/T 9098—2008 電冰箱用全封閉型電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)試壓縮機(jī)性能，進(jìn)行 53.3Hz/80Hz/100Hz/150Hz多個(gè)頻率段的整機(jī)性能對(duì)比測(cè)試，對(duì)比實(shí)驗(yàn)平均值結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在低轉(zhuǎn)速下退火處理的定子電動(dòng)機(jī)效率比不退火處理的電動(dòng)機(jī)性能稍好，而在80Hz、100Hz和150Hz時(shí)則只進(jìn)行表面蘭化不退火處理鐵心的變頻壓縮機(jī)整機(jī)性能要優(yōu)些。這樣匹配到冰箱制冷系統(tǒng)其能耗同樣會(huì)得到提升。

圖4 某型號(hào)變頻壓縮機(jī)在各頻率段的性能平均值對(duì)比

5 結(jié)論

本文只針對(duì)某型號(hào)的變頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了退火處理與不退火處理的對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如選用極對(duì)數(shù)更多及硅鋼片厚度更薄的沖片，根據(jù)理論研究對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)更加明顯。變頻壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行是通過(guò)變頻板來(lái)控制的，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速由低到高變化范圍較大，且其極對(duì)數(shù)比定頻壓縮機(jī)要多，因?yàn)椴煌嘶鹬贿M(jìn)行蘭化處理的硅鋼片較退火蘭化處理的硅鋼片在高頻率時(shí)渦流損耗相對(duì)要低，使得總的電動(dòng)機(jī)鐵心鐵損下降明顯，這樣會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的效率、壓縮機(jī)的性能以及冰箱等制冷設(shè)備的能效產(chǎn)生較好的提升，達(dá)到高效節(jié)能的效果。因此如對(duì)于在冰箱上經(jīng)常處于高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的變頻壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)鐵心可采用不退火只進(jìn)行蘭化處理即可提高電動(dòng)機(jī)性能降低功耗，而且可以降低生產(chǎn)制造成本和縮短熱處理時(shí)間，減少工序有效提升效能。這對(duì)于考慮綜合性能及成本因素的電動(dòng)機(jī)制造廠家來(lái)說(shuō)，在電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝布局上，提供了有效的實(shí)驗(yàn)支撐。

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