永磁同步变频离心压缩机电机研究

永磁同步变频离心压缩机电机研究

范清姗

珠海格力电器股份有限公司 广东省珠海市 519000

摘要：随着时代的进步与科技的发展，我国的制冷和空调行业取得了很大的进步。压缩机作为制冷器件中的重要组成部件，深入研究分析其电机的组成和性能具有十分重要的意义。由于永磁同步电机有着无励磁损耗和体积较小的优点，因此被广泛的应用于暖通空调领域。文章将从永磁同步变频离心压缩机电机的发展概况出发，详细介绍永磁同步电动机的分类和特点，并结合已有的研究说明该种类电机的使用优势，为我国永磁同步变频离心压缩机电机的研究提供一定的参考。

关键词：永磁同步电机；变频；离心压缩机

一.研究背景

在世界能源紧缺的大背景下，节能减排的重要性日益突出，绿色环保成为了人们的主流发展观念。随着近期以来异常气温的出现，空调开始成为越来越多家庭中的必备生活电器，其能效标准也成为了消费者在购买过程中的重要参考指标，变频空调因其高效节能、调温稳定、静音舒适等特点受到了广大人民的追捧。目前我国公共场所的空调系统消耗了大约30%的建筑能源,而且这个数字还在逐年快速增长，因此对永磁同步变频离心压缩机电机的研究有着一定的重要意义。现在常见的传统空调主要以使用单相异步电动机的定频空调为主，但该种类空调运行噪声大、电机寿命短、调温过程中温度波动较大，因此正在被市场逐渐淘汰；使用永磁同步电机的变频空调则因此有着广阔的发展前景。

永磁同步电机之所以有着传统电机所不具有的种种优点，原因在于其无需电励磁的永磁材料，因此有着体积和质量较小、工艺结构简单、能量损耗低、工作效率较高等特点，在工业生产、航空航天、国防安全和日常民生中获得了相当广泛的应用。传统的变频离心压缩机常常采用三相异步电动机进行驱动，并利用外部变频器调节转速；然而为了获得更加精准的控制效果和提升压缩机的工作效率，越来越多的离心压缩机开始利用变频电源来为永磁同步电机供电，这类电机又称为变频调速永磁同步电动机，在各个领域都有着相当广泛的利用。对永磁同步变频离心压缩机电机进行研究和分析，将有利于对其进行结构与性能上的优化，对我国的节能减排战略有着重大意义。

二.永磁同步变频离心压缩机电机发展概况

2.1永磁同步电动机的分类

永磁同步电动机的主要构成为转子和定子,其中转子为电枢绕组,而定子则主要指永磁体。按照电机电流波形的不同，可以将永磁同步电动机分为矩形波和正弦波两种；按照永磁体在转子位置上的差异，永磁同步电动机又可分为以下几类：

1.表面式。表面式的转子磁路结构是实际生活中较为常见的一种磁路结构，在该类型电机的转子结构中，永磁体呈瓦片形分布在转子外表面。根据转子的结构特点，表面式永磁同步电动机又可以分为凸出式和插入式两种，如图1所示。其中，1表示永磁体，2表示转子铁心，3表示转轴。

图1  表面式转子结构

2.内置式。采用内置式转子磁路结构的永磁同步电动机动稳态性能较好，在许多领域都可以得到应用。该类型电机的转子结构中，永磁体安装在转子的内部，并且按照永磁体磁化方向与转子旋转方向之间的关系，可以分为径向式、切向式和混合式三种，如图2所示。其中，1表示转轴，2表示永磁体槽，3表示永磁体，4表示转子导条。

图2  内置式转子结构

3.爪极式。采用爪极式转子磁路结构的永磁同步电动机性能不高，实际应用中范围较小，但由于制造工艺简单、成本低廉，因此还是具有一定的应用优势。该类型电机的转子磁路结构主要由法兰盘和永磁体构成，如图3所示。其中，1表示左法兰盘，2表示永磁体，3表示右法兰盘，4表示转轴。

图3爪极式转子磁路结构

2.2变频调速永磁同步电机的特点

与传统的定频定速电机相比，变频调速永磁同步电机有着相当多的优势，因此在市场上越来越趋向于取代传统定速电动机的位置。其主要优点如下：

1.转速平稳、动态响应快、过载能力强。相比于异步电动机，同步电动机能承受更强的电压转矩扰动，因此在相同条件下，同步电动机能更快的做出反应。此外，永磁同步电机可以达到的最大转矩远超出额定值，因此拥有较强的过载能力，在高负载工况下具备非常有利的优势。

2.高功率、高效率。与异步电动机相比，永磁同步电动机没有无励磁损耗，因此有效避免了运行过程中的各种能量损失，显著提高了电机的输出功率，增加了工作效率，能达到在运行中有效节省电能的效果。

3.体积小、重量轻。近年来，随着材料科学的不断发展，体积更小的高性能永磁材料使得永磁同步电机相较于传统的异步电动机来说变得更小、更轻，可以在更多特殊领域发挥作用。

4.结构多样、应用广泛。永磁同步电动机的转子具有多种不同的结构，因此在造型和特点上表现得十分灵活，可以根据不同的应用场景按需组合，以达到不同的使用目的。

5.可靠性高。与传统电动机相比，永磁同步电动机不需要电刷，因此在结构上更加简单，维护上更加方便，增强了其在工作时的可靠性。

三.永磁同步变频离心压缩机电机的优势

LiuHua等人

[1]设计了一种由变频调速永磁同步电机驱动的离心压缩机，如图4所示，他们通过仿真实验发现与传统变频离心压缩机相比，该离心压缩机具有更好的绝热效率和总工作效率。其中V1~V5代表电动阀，V1用于控制蒸发器P1的出口压力，V2用于控制蒸发器T1’的出口温度，V3用于控制中间气体P3的压力，V4用于控制中间气体T3’的温度，V5用于控制旁通冷凝制冷剂G4的流量，从而控制第一级压缩机T1的吸入温度。泵1~3表示水泵，泵1用于通过调节冷凝器的冷却水流量来控制二级压缩机的排气压力，泵2用于控制水箱温度，泵3用于控制冷凝器的过冷度。

顾欣则利用仿真软件建立模型对永磁同步电机进行了建模与分析，确定了电机的各项参数，并与前期的计算结果进行比较[2]。如图5所示，为研究中电机以一定转速空载运行时的仿真波形图，结合文中的模型参数计算分析可以证明永磁同步变频电机具有十分优良的性能。

图4  Liu Hua等设计的离心压缩机示意图[1]

图5  三相空载反电动势波形图[2]

四.总结

随着国民对生活质量的要求提高，各种制冷器具开始获得了迅速的发展。而压缩机作为制冷器件中的重要组成部件，因此在研究中具有重要的探讨意义。其中，永磁同步变频由于其特殊的优势被广泛的应用于暖通空调领域，文章从永磁同步变频离心压缩机电机的发展概况出发，详细介绍永磁同步电动机的分类和特点，并结合已有的研究说明了这种电机所具有的优良性能，为我国永磁同步变频离心压缩机电机的研究提供一定的参考。

参考文献：

[1]HuaLiu,ZhipingZhang,HongboLi,ShengWang,BinHu,R.Z. Wang. Research and development of a permanent-magnet synchronous frequency-convertible centrifugal compressor[J]. International Journal of Refrigeration,2020,117(prepublish).

[2]顾欣.永磁同步电机的变频调速研究[J].内燃机与配件,2022(05):82-84.