吳廣榮 馮曉琴 周 博

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

為響應(yīng)新時期國家節(jié)能減排政策，2019年冰箱行業(yè)從社會需求出發(fā)，圍繞節(jié)能環(huán)保、健康保鮮、消費升級等方面對行業(yè)技術(shù)路線進行了修訂，明確提出到2025年，冰箱能效水平較2019年提高25 %，2030年較2025年提高25 %。冰箱能效等級的提升，對往復(fù)式活塞壓縮機的性能提出了全新的要求，而電機作為壓縮機的動力部件，提高電機效率成為提升壓縮機能效的關(guān)鍵。

永磁同步電機由于結(jié)構(gòu)強度高、裝配簡單、效率高、噪聲低、可靠性高的優(yōu)點，在往復(fù)式活塞壓縮機中廣為采用。反電動勢大小作為永磁同步電機設(shè)計時的重點關(guān)注指標，理清其與電機性能之間的關(guān)系對快速設(shè)計符合要求的電機和活塞壓縮機具有重要意義。本文針對電機在冰箱負載下的特性，從理論、仿真和實測三方面分析了反電動勢大小對電機性能的影響。

1 電機損耗

電機損耗通常劃分為銅損、鐵損、機械損耗等部分。銅損是電流通過定子繞組產(chǎn)生的焦耳熱所引起的損耗，根據(jù)焦耳定律其計算公式如下：

式中：

I-電機相電流；

R-電機相電阻。

式中：

ρ-導(dǎo)體電阻率；

L-繞組長度；

S-導(dǎo)體截面積；

N-繞組匝數(shù)；

R-繞組半徑；

L-每匝等效長度。

鐵損是指電機鐵心中磁場的變化引起的損耗，分為磁滯損耗和渦流損耗兩部分，計算公式如下：

式中：

Ph-磁滯損耗；

Pe-渦流損耗；

Ch-磁滯損耗系數(shù)；

Ce-渦流損耗系數(shù)；

F-電頻率；

Bm-磁通密度幅值；

V-鐵心體積；

△-硅鋼片厚度；

對于硅鋼片，一般取n = 1.6 ～ 2.3。

在正常的工作磁通密度范圍內(nèi)，鐵損公式可近似寫成如下形式：

式中：

CFe-鐵心的損耗系數(shù)；

G-鐵心重量。

機械損耗是指支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸承摩擦產(chǎn)生的損耗，主要受所采用的軸承、測試工裝、裝配效果的影響，可根據(jù)實測或按一定比例折算獲得。

2 理論及仿真分析

為保證對比的可靠性，減少影響因素，在分析反電動勢大小對電機性能的影響時，考慮采用同一定轉(zhuǎn)子鐵芯和相同磁鋼。

相同負載下，電機運行電流與繞組匝數(shù)成反比，匝數(shù)越多，電機相電流越小，電流與匝數(shù)的關(guān)系可表示如下：

式中：

K-電流與匝數(shù)的比例系數(shù)；

N-繞組匝數(shù)。

結(jié)合式（1）、（2）、（5）可得：

由于采用同一定子鐵芯，每匝等效長度l相同，繞組采用銅線，其電阻率ρ也相同。從公式（6）可知，影響電機銅損的變量只有繞組匝數(shù)N和繞組半徑r。

槽滿率Sf計算可近似表達如下：

式中：

S-定子槽有效面積。

結(jié)合式（6）、（7）可知，在槽滿率Sf相同的情況下，僅僅改變電機繞組匝數(shù)（反電動勢大?。姍C銅損不會發(fā)生改變。

由鐵損計算公式（3）或（4）可知，在采用同一定轉(zhuǎn)子鐵芯和相同磁鋼的情況下，不同反電動勢大小電機方案在同一運行頻率下鐵損相同。

電機效率η計算公式如下：

在理論計算不同電機方案效率時，機械損耗按同一比例進行折算，即機械損耗取相同值。所以，由式（8）可得，同一轉(zhuǎn)速下，相同負載運行時不同反電動勢大小電機效率相同。

為驗證理論分析的正確性，利用Ansys軟件對我司現(xiàn)有的一款量產(chǎn)9槽6極電機沖片進行了建模仿真。電機二維仿真模型如圖1所示。

圖1 電機仿真模型

在保持槽滿率基本相當?shù)那疤嵯?，為方便后續(xù)樣機試制、仿真和實測對比，根據(jù)現(xiàn)有漆包線庫存并使不同電機方案反電動勢大小呈現(xiàn)一定的梯度，設(shè)計了五種電機方案，如表1所示。

表1 不同反電動勢大小電機方案

仿真中激勵采用理想的正弦化電流源，冰箱負載下電機的運行轉(zhuǎn)矩在（0.1～0.3）N?m之間，在此范圍內(nèi)對不同電機方案的轉(zhuǎn)矩-效率進行掃描。不同轉(zhuǎn)速下電機效率仿真結(jié)果如表2、表3所示。

表2 不同電機方案2 000 RPM時電機仿真效率

表3 不同電機方案3 000 RPM時電機仿真效率

從電機效率來看，不同反電動勢電機方案在同一轉(zhuǎn)速下的電機效率差距很微小，效率基本一致。電機效率仿真值與理論分析結(jié)果相一致。

不同電機方案的銅損和鐵損值分別如表4～6所示。

表4 不同電機方案銅損

表5 不同電機方案2 000 RPM時鐵損

從銅損、鐵損仿真值來看，同一定轉(zhuǎn)子鐵芯，在槽滿率相同的前提下，改變匝數(shù)（反電動勢），同一轉(zhuǎn)速負載時，銅損、鐵損都是相同的。損耗仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相一致。

綜上，通過理論公式和仿真結(jié)果可清晰得出，在采用同一定轉(zhuǎn)子鐵芯、保證槽滿率基本相同的情況下，無論如何改變繞組匝數(shù)即改變電機反電動勢大小，對電機銅損、鐵損以及效率不造成影響。

3 樣機試制及實測分析

為驗證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，對比仿真和測試的差異性，根據(jù)表1試制完成5臺反電動勢不同的樣機，并進行了不同轉(zhuǎn)速下的電機效率測試。測試中采用同一工裝進行裝配、同一控制器進行驅(qū)動。

3.1 2 000 RPM時電機效率

不同電機方案2 000 RPM時的電機效率測試曲線如圖2所示。

圖2 不同電機方案效率曲線

從電機效率曲線可以看出，反電動勢大小不同，電機效率存在一定的差距，并且隨著反電動勢的增加，電機效率呈現(xiàn)增加的趨勢。

為分析電機效率差距的原因，對電機各種損耗進行剝離分析，由于測試采用的是同一工裝，在折算機械損耗時取相同的經(jīng)驗系數(shù)。剝離后的電機銅損和鐵損分別如圖3、4所示。

圖3 不同電機方案銅損

圖4 不同電機方案鐵損

從銅損曲線上看，隨著反電動勢的增加，銅損有微弱地減少，并且隨著負載的增加，不同電機方案的銅損差值略微增加。輕負載時，不同電機方案銅損幾乎相等；重負載0.26 N?m時，1#電機（低反電機）與5#電機（高反電機）的銅損差值僅為0.1 W，基本上相當。所以，可認為實測銅損隨反電動勢變化趨勢與理論計算和仿真結(jié)果相一致。

從鐵損曲線上看，隨著反電動勢的增加，鐵損呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢，反電動勢越大，鐵損越小。

結(jié)合銅損和鐵損數(shù)據(jù)分析，不同反電動勢電機方案其效率存在差異在于鐵損不同，反電動勢越大鐵損越小，電機效率越高。

為研究反電動勢引起鐵損不同的原因，抓取了電機運行電流并進行了FFT分析。不同反電動勢電機方案其總諧波含量對比如圖5所示。從圖中可知，隨著反電動勢增加，總的諧波含量逐漸減小。

圖5 不同電機方案運行電流總諧波含量

不同反電動勢電機方案運行電流FFT分解結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同電機方案運行電流諧波含量

隨著反電動勢的增加，運行電流中3次、5次、7次、11次、49次、51次諧波含量呈現(xiàn)下降趨勢。由鐵損計算公式可知，電流頻率越高，鐵損越大，電流諧波含量特別是高頻諧波含量越大，對電機鐵損影響越大。

不同電機方案2000 RPM時的效率測試數(shù)據(jù)說明，此時鐵損是影響電機效率的關(guān)鍵因素，隨著反電動勢的增加，電機運行電流中的諧波含量逐漸降低，鐵損相應(yīng)地減少，電機效率得到提升。

3.2 3 000 RPM時電機效率

不同電機方案3 000 RPM時電機效率測試曲線如圖7所示。

圖7 不同電機方案效率曲線

3 000 RPM時1#電機效率最低的，2#電機效率最高，3#、4#、5#電機效率處于中間位置，并隨著反電動勢的增加效率逐漸降低。1#、2#電機效率符合前文2 000 RPM時所述的變化趨勢--隨著反電動勢的增加，電機效率逐漸增加。

采用相同的分析方法對電機損耗進行剝離，剝離后的電機銅損和鐵損如圖8、9所示。

圖8 不同電機方案銅損

圖9 不同電機方案鐵損

對銅損曲線進行分析，3#、4#、5#電機隨著反電動勢的增加，銅損相應(yīng)增加，并且大于2#電機銅損。由前文分析可知，在正常運行情況下，不同電機方案其銅損應(yīng)相當，高反電機（3#、4#、5#）銅損出現(xiàn)增加，應(yīng)是此時控制器母線電壓已飽和，電機開始弱磁運行，導(dǎo)致電流增加，銅損增加。通過控制器分析得到不同電機方案開始弱磁時的速度如表6所示。

表6 不同電機方案開始弱磁速度

表6 不同電機方案3 000 RPM時鐵損

從表6可知，3 000 RPM時3#、4#、5#電機已開始弱磁控制運行。弱磁控制導(dǎo)致電機電流增加，銅損增加，影響到電機效率的提升。另外，電流增加也會導(dǎo)致控制器損耗增加，對系統(tǒng)的整體效率有一定的影響。

從鐵損曲線可知，除1#電機鐵損較大外，2#、3#、4#、5#電機鐵損基本相當。1#、2#電機鐵損值變化趨勢符合前文2 000 RPM時所述的鐵損變化趨勢。但當弱磁控制后，鐵損值不再隨反電動勢的增加而增加。

不同反電動勢大小電機方案總損耗曲線如圖10所示。

圖10 不同電機方案總損耗

由于電機方案的反電動勢不同，隨著速度的增加，反電動勢大的電機方案逐步弱磁，電機電流增加，銅損相應(yīng)增加；而弱磁控制時不同電機方案鐵損相差不大，總損耗因為弱磁控制的緣故隨著反電動勢的增加而增加，所以3#、4#、5#電機方案總損耗大于2#電機方案，電機效率低于2#電機方案。而1#、2#電機方案在3 000 RPM時未有弱磁，其電機效率變化趨勢與2 000 RPM時相同。

不同電機方案3 000 RPM時的測試數(shù)據(jù)說明，在3 000 RPM時電機由于弱磁控制的緣故，銅損成為影響效率的關(guān)鍵因素。3 000 RPM時，高反電機方案已弱磁運行，電流增加，導(dǎo)致銅損增加，總損耗相應(yīng)增加，電機效率隨反電動勢增加逐漸下降。另外，反電動勢過大也將限制電機的最高運行速度，無法滿足電機或壓縮機匹配所需的轉(zhuǎn)速范圍。

4 結(jié)論

本文從理論、仿真和測試三方面對不同反電動勢電機方案進行了性能分析，明確了反電動勢大小對電機性能的影響：

1）理論及仿真中，由于電機激勵考慮的是理想的正弦波電流源，不存在諧波，在采用同一定轉(zhuǎn)子鐵芯和磁鋼、保證槽滿率基本相同的情況下，無論如何改變電機反電動勢大小，對電機性能不造成影響；

2）測試中，由于控制器驅(qū)動導(dǎo)致電機相電流具有一定的諧波，在未弱磁運行時，電流諧波含量特別是高次諧波含量隨著反電動勢的增加逐漸降低，鐵損相應(yīng)降低，電機效率逐漸增加；

3）隨著轉(zhuǎn)速的上升，反電動勢高的電機方案使得控制器母線電壓飽和，電機開始弱磁運行，導(dǎo)致電流增加，銅損增加，從而使高反電機效率下降。另外反電動勢過大也將影響電機的最高運行速度，可能無法滿足匹配所需的轉(zhuǎn)速范圍。

目前壓縮機匹配冰箱時，測試耗電量的轉(zhuǎn)速多在（1 320～2 000）RPM之間甚至更低，電機在滿足匹配速度范圍的前提下可適當增加電機反電動勢，提升電機效率，保證匹配的成功性。