变频压缩机中的应用方案介绍

为满足变频压缩机高性能的要求，现有的变频压缩机中多采用稀土永磁同步电机，稀土消耗量巨大。然而，稀土属于国家重要战略储备物资，广泛应用于航天、核工业、石油化工等战略领域，由于前期的过度开采，以及开采过程中带来的大量环境问题，2011年起国家出台了稀土矿开采总量控制指标的政策，对稀土开采实施了严格管控。

为了摆脱变频空调对稀土资源的依赖，促进行业的可持续发展，高效变频压缩机电机的少稀土乃至无稀土技术成为行业研究热点。

永磁辅助同步磁阻电机是其中的典型代表，格力电器通过多年研究，于2011年成功研发出1～12HP空调压缩机用铁氧体永磁辅助同步磁阻电机，并应用于变频压缩机和空调产品中。

1.永磁辅助同步磁阻电机结构参数及稳态性能分析

根据压缩机的应用场合及产品要求，格力电器分别开发了采用集中绕组和分布绕组的永磁辅助同步磁阻电机，其中集中绕组永磁辅助同步磁阻电机主要应用于2HP以下的家用变频空调压缩机，分布绕组永磁辅助同步磁阻电机应用于2HP以上的家用变频空调和商用变频空调压缩机。图6-2所示为永磁辅助同步磁阻电机与目标样机（永磁同步电机）的结构对比，永磁辅助同步磁阻电机的转子采用双层磁障结构，磁障内插入铁氧体永磁体。

永磁辅助同步磁阻电机与目标样机的主要设计尺寸见表6-1，永磁辅助同步磁阻电机的设计有以下特点：①由于铁氧体永磁体的剩磁低，电机铁心磁通密度较低，因此定子的齿部、轭部尺寸设计相对较小；②定子裂比设计相对较大，可以安装更多的永磁体，从而提高电机输出能力。永磁辅助同步磁阻电机与目标样机的电感参数对比如图6-3所示，在相同电流下，永磁辅助同步磁阻电机的d、q轴电感差值L_d-L_q比永磁同步电机大；随

图6-2 电机结构对比

a）集中绕组永磁辅助同步磁阻电机 b）集中绕组永磁同步电机

c）分布绕组永磁辅助同步磁阻电机 d）分布绕组永磁同步电机

表6-1 电机的主要设计尺寸

①基准值为永磁同步电机材料成本，即永磁同步电机材料成本为1。

着电流的增加，永磁辅助同步磁阻电机的电感L_d、L_q的减小幅度比永磁同步电机大，主要是因为永磁同步电机使用了高性能稀土钕铁硼永磁体，空载时的主磁场磁饱和程度已经很高，所以电流增大对其的影响比使用铁氧体永磁体的永磁辅助同步磁阻电机小。

图6-3 d、q轴电感参数

a）集中绕组电机 b）分布绕组电机

1—永磁辅助同步磁阻电机L_d 2—永磁辅助同步磁阻电机L_q 3—永磁辅助同步磁阻电机L_d-L_q 4—永磁同步电机L_d 5—永磁同步电机L_q 6—永磁同步电机L_d-Lq

图6-4 矩角特性

a）1HP压缩机电机 b）5HP压缩机电机

图6-4所示为永磁辅助同步磁阻电机与目标样机的矩角特性，永磁辅助同步磁阻电机的最大转矩角大于永磁同步电机，分布绕组电机最大转矩角大于集中绕组电机，这是由不同的d、q轴电感差值引起的，d、q轴电感差值越大，最大转矩角越大，磁阻转矩的占比也越大。永磁辅助同步磁阻电机与目标样机的永磁转矩和磁阻转矩占比如图6-5所示。

2.永磁辅助同步磁阻电机性能分析

为保证装配的可靠性和工艺性，压缩机电机定子与壳体之间通常为过盈配合。但在电机性能试验中，为保证装配的灵活性及通用性，电机定子与测试工装多采用间隙配合。因此，相比性能试验中的电机，压缩机中的电机定子会额外承受过盈配合产生的应力，导致电机铁损增加。

以1HP变频压缩机电机为研究对象，当过盈量为0.1mm时，永磁辅助同步磁阻电机与永磁同步电机在过盈配合与间隙配合时的铁损如图6-6所示，过盈配合时，两种电机的铁损值均明显增加，由于永磁同步电机的定子轭部磁饱和程度较高，因此过盈配合时的铁损增幅更大。由于过盈配合产生的应力对于不同电机的影响是有差异的，因此在进行压缩机电机效率评价时，必须考虑过盈配合的影响。

图6-5 磁阻转矩与永磁转矩占比

1—集中绕组永磁同步电机

2—分布绕组永磁同步电机

3—集中绕组永磁辅助同步磁阻电机

4—分布绕组永磁辅助同步磁阻电机

图6-6 过盈配合与间隙配合时的铁损

a）中间制冷工况26Hz b）额定制冷工况51Hz(www.xing528.com)

本书在分析压缩机电机的性能时，将电机定子与压缩机壳体过盈配合后进行性能测试，装配后的定子如图6-7所示，电机性能测试系统如图6-8所示。

以某款1HP变频压缩机电机为例，按照APF能效评价的频率及转矩点进行性能测试，测试结果如图6-9所示。在中间制冷工况时，永磁辅助同步磁阻电机的效率比永磁同步电机低0.5%，随运行频率的升高和负载转矩的增大，永磁辅助同步磁阻电机的效率增加幅度更大，在中间制热和额定制冷工况时，两种电机的效率水平相当，到额定制热及低温制热工况时，永磁辅助同步磁阻电机的效率比永磁同步电机高0.2%。

图6-7 过盈配合装配后的定子

图6-8 电机性能测试系统

图6-9 压缩机电机性能对比

图6-10所示为两种电机在中间制冷与额定制冷工况下的损耗分布。在中间制冷工况时，压缩机转速较低，铁损对总损耗的贡献量较小，铜损较小的永磁同步电机在效率上有优势，随着运行频率的升高，铁损占比逐渐增加，永磁辅助同步磁阻电机铁损小的优势逐渐凸显，因此在额定制冷工况下的效率较高。

图6-10 不同工况下铜铁损分布

a）中间制冷工况 b）额定制冷工况

3.抗退磁分析

永磁辅助同步磁阻电机使用的是矫顽力较低的铁氧体永磁体，相比稀土永磁同步电机易出现退磁问题，需要重点评估。针对永磁辅助同步磁阻电机的抗退磁优化，本书第3章已有详细阐述，此处主要介绍电机的抗退磁评估及分析方法。

铁氧体永磁体的矫顽力随温度降低而减小，因此需要重点评估低温下的抗退磁能力，压缩机用永磁辅助同步磁阻电机的抗退磁试验一般在-30℃的低温环境中进行。将转子固定在最大去磁位置后，往定子绕组中通入某一大小的直流电，以产生反向的退磁磁场对电机进行退磁，通常以退磁前后电机磁链的变化率（即退磁率）作为衡量电机抗退磁能力的标准。退磁试验平台如图6-11a所示，主要包括低温箱和直流电源等。定子接线方式如图6-11b所示。

图6-12所示为永磁辅助同步磁阻电机和永磁同步电机退磁试验结果，这里以使电机退磁率达到3%时的电流大小作为衡量电机抗退磁能力强弱的标准。由图可知，永磁同步电机的退磁电流为38A，相比之下，永磁辅助同步磁阻电机的抗退磁能力稍差，约为35A，但与额定电流相比，退磁电流余量充足，能够满足变频压缩机的可靠性要求。

图6-11 退磁试验

a）退磁试验平台 b）定子接线图

图6-12 退磁测试对比

当空调在寒冷冬季使用时，空调外机内的压缩机所处环境温度较低，而铁氧体永磁体在低温下易产生退磁现象，通常采用绕组加热的方式进行改善。压缩机起动前，向定子绕组通入电流对转子中的永磁体预热，提高永磁体的矫顽力。绕组预热起动过程包括矢量定位、矢量加热、循环加热、电流闭环起动4个阶段，起动过程的电流波形如图6-13所示。

4.变频压缩机性能及噪声评估

以1HP变频压缩机为研究对象，对采用永磁辅助同步磁阻电机和永磁同步电机的压缩机产品进行能效对比，具体能效见表6-2。相比采用永磁同步电机的压缩机，采用永磁辅助同步磁阻电机的压缩机在中间制冷、中间制热工况下的能效降低0.3%～1%，而在额定制冷、额定制热和低温制热工况下的能效提高1%～1.5%。

图6-13 空调压缩机起动电流波形

表6-2 压缩机能效对比①

①基准值为采用永磁同步电机的压缩机在各个工况点的能效。

对比两种电机的性能测试数据，可以看出，采用永磁辅助同步磁阻电机的压缩机在额定制冷、额定制热及低温制热工况下的性能优势增大，主要是因为压缩机运行在这3个工况时，压缩机排气温度升高，电机的运行环境温度随之升高，永磁转矩受温度影响下降较大，而磁阻转矩受影响较小，这对磁阻转矩占比较大的永磁辅助同步磁阻电机是有利的。

噪声是压缩机的重要评价指标，采用永磁辅助同步磁阻电机的压缩机在各频率点的噪声总值有1～2dB的优势，噪声总值见表6-3。

表6-3 压缩机噪声对比