高绕组系数绕组结构在空调压缩机电机中的应用研究

高绕组系数绕组结构在空调压缩机电机中的应用研究

赵东亮,孙正君

广东美的环境科技有限公司

摘  要：电容运行式单相感应电机结构简单，在空调压缩机行业得到广泛应用。该类电机均采用同心式绕组结构，本文对此类电机的绕组系数、以及绕组谐波强度两个因子进行研究，提出了高绕组系数绕组结构。在检讨过程中发现，仅提升电机绕组系数，会导致绕组3次、5次谐波比例急剧升高，杂散损耗提升，难以提升电机效率。明确了主、副绕组3次、5次谐波控制比例，可以有效提升电机效率，改善电机性价比；对后续新槽型电机设计具有很高的参考价值。

关键词：单相感应电机；谐波强度；绕组系数

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1引言

随着国家节能减排政策的实施，市场对空调压缩机能效要求越来越高。变频电机由于能效高，在压缩机行业占比越来越高；但是由于变频器的存在，导致变频空调成本升高，限制了变频空调的使用范围。单相感应电机由于不需要变频器，目前还有很高的市场份额。因此，研究单相感应电机的能效提升手段，具有很高的现实意义。

单相感应电机绕组均采用同心式绕组结构，为降低绕组谐波带来的杂散损耗，一般推荐采用正弦绕组，但是正弦绕组绕组系数较低，绕组有效利用程度不高，为了得到足够的有效匝数，导致电机槽满率偏高，制造困难。

本论文主要研究单相感应电机绕组系数、以及绕组谐波强度对电机性能的影响。

2绕组基理研究

2.1正弦绕组原理分析

众所周知，电机的线负荷沿着电机气隙圆周的空间分布规律A(x)与气隙磁势对同一坐标的空间分布规律F(x)，存在着如下关系：

如果假定电机的定子槽数为无穷多个，绕组的导体沿气隙圆周作连续的余弦分布，使线负荷A(x)在空间作余弦分布，则气隙磁势F(x)在空间就成正弦分布了，如图1所示：

图1  绕组气隙磁势理想值

实际上，由于电机槽数是有限的，绕组的导体沿着气隙圆周不可能作连续的余弦分布，只能作离散的余弦分布，这就是正弦绕组的分布特点。由此可知，正弦绕组的每槽串联导体数是不相等的，且对于相轴对称分布，在结构上就做成双层同心式绕组。考虑电机制造性，一般主绕组放置于槽内下层，而副绕组放置于上层。

由于正弦绕组只能作离散的余弦分布，因此它所产生的磁势空间波为阶梯波，如图2所示：

图2  绕组气隙磁势实际值

2.2 绕组系数和绕组谐波强度计算

正弦绕组是一种每槽串联导体数不相等的同心式绕组。参考图2，设Z1、Z2、Z3、……分别为正弦绕组在一个极下的线圈，跨距由大到小的每相各槽的串联导体数；2B1、2B2、2B3、……分别为对应线圈跨距的电角度；每极单匝线圈产生的磁势幅值为h。则，

基波磁势幅值a1可以定义为：

第ν次谐波磁势幅值aν为：

ν=4k+1，k=0,±1，±2，……

基波绕组系数为：

第ν次谐波的绕组系数为：

第ν次谐波的谐波强度为：

计算为评价各种绕组削弱谐波磁势的效果提供定量分析的依据。采用正弦绕组的目的是为了尽可能的削弱各种谐波磁势，由于电机低次谐波幅值较大，对电机性能影响较大，本论文主要关注对电机性能影响较大的3次、5次谐波。

3高绕组系数绕组结构检讨

3.1高绕组系数绕组结构介绍

电机主副绕组跨距越大，绕组系数越高（即绕组利用率越高），为了达到相同的主副绕组有效匝数，总的电机匝数可以减少。

高绕组系数绕组结构主副绕组沿定子槽对称，绕组结构如图3所示，现有绕组结构主副绕组沿定子齿对称，绕组结构如图4所示。

 图3 高绕组系数绕组结构说明图

对于24槽定速电机，将主、副绕组大线圈偏移7.5°，主、副绕组均可以设置为槽对称结构，进而提升主副绕组的绕组系数。由于现有电机定子冲片大部分设置为大小槽，直接采用高绕组系数绕组结构，会导致部分小槽槽满率偏高，使得高绕组系数绕组结构在现有冲片上应用受到限制。

图4 量产仕样绕组结构说明图

3.2高绕组系数绕组检讨方案

3.2.1、代表电机检讨方案

新方案

现有方案

从上表可知，24槽电机、高绕组系数绕组结构主副绕组大线圈跨距为12个定子槽，现有方案主绕组大线圈跨距为11个定子槽，与现有方案相比，电机主副绕组绕组系数提升、绕组匝数减少。

3.3高绕组系数绕组检讨结果

3.3.1、代表电机检讨结果

通过上述检讨结果可知：代表电机高绕组系数方案与现有方案相比，电机效率相当，压缩机COP相当。

由于电机绕组系数提升，主副绕组铜线匝数减少，电机用铜量减少120g，成本降低约6元，可以有效提升电机性价比。   

5 结语

本文研究了单相感应电机主、副绕组绕组系数，以及3次、5次谐波强度对电机性能的影响。本文通过理论计算以及实验检讨，得出以下结论：

1）、高绕组系数绕组结构、与现有绕组结构相比：

可以提升主副绕组绕组系数，提升电机性价比；

经济效益明显；

2）、高绕组系数&低谐波绕组结构：

考虑主绕组谐波比例对电机性能、以及全程曲

线的影响，谐波比例建议控制：3次＜5%、

5次谐波比列＜3%。

    高绕组系数绕组结构可制造性好，对于后续新规电机设计具有很高的指导意义。定子冲片槽面积大小设置以及绕组分布选型，需要考虑谐波比例控制，实现电机性价比最大化。

参考文献：

[1] 汤宗武.  单相异步电机[M]..

[2] 许实章. 电机学[M]..

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