某新型压缩机有效轭部预设研讨

　　反观旋转式压缩机的加工成本则相对低廉。随着市场竞争愈演愈烈，大功率旋转式压缩机的研发时机日渐成熟。

　　旋转式封闭压缩机的结构决定了其驱动电机位于冷媒压缩腔的下游。出于对冷媒通流和电机冷却的双重需求，驱动电机在其铁芯径向截面上要提供一定的通流面积。提供的通流面积越大，冷媒的通过效率越高，制冷效果就越好，同时驱动电机也能更充分地被冷却。然而通流面积的提高付出的代价是铁芯截面的减少，这一方面使得铁芯导磁能力变差，影响电机电磁性能，另一方面铁芯更易变形。铁芯变形的问题涉及热套接触面积应力分析和冲片叠片制造工艺，在此不作深入讨论，这里主要分析冷媒通流面积对电机铁芯轭部高度的影响，并提供一种实用算法。

　　1. 电机与磁路

　　（1）电机。

　　电机是一种其工作原理基于电磁感应定律和电磁力定律之上，实现机电能量转换或电能特性变换的机械，具有能量生产、传输和使用的功能，是工业、农业、交通运输和家用电器的重要组成部分，在现代社会的所有场合，都被大量地使用。

　　电机设计是根据产品规格（如功率、电压、转速等）、技术要求（如效率、参数、温升限度、机械可靠性等），结合政策和生产实际，运用有关理论和算法，正确处理各类矛盾的过程，这是个复杂的过程，需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很多，必须综合处理。

　　在电机设计中的各类参数及运行状态的计算使用到很多经验公式进行简化计算，但这种算法的简化应针对不同的电机需求而加以变化，否则就可能因不适应新的需求而使设计结果出现偏差。

　　（2）磁路。

　　磁束会自动选择磁阻*小的路径形成闭环，铁芯的磁阻远小于空气，因此铁芯是磁束形成闭环的主要路径，以外定子内转子的电机结构为例，一般旋转电机的磁束闭环由以下五个部分组成：转子轭部、转子齿部、气隙、定子齿部、定子轭部。

　　对于空调压缩机使用的定速电机，可以假设磁通量为某额定值。此时，磁束闭环上各部分的有效宽度决定其通过的磁通密度，而其有效长度则决定该部分的磁压降。对于所示的电机铁芯，如果忽略磁束端部效应，其定子齿部顶圆至定子铁芯外径的尺寸即为定子轭部的有效磁路宽度，也就是我们要求的定子有效轭部高度。此例中，由于定子外圆与定子齿部顶圆同心，且在铁芯上未提供任何通流面积，可以简单地用定子外圆半径减去定子齿顶圆半径，即可算出其定子有效轭高。

　　2. 有效轭部高度

　　（1）冷媒通流面积要求。

　　参考涡旋式压缩机的电机设计。驱动电机被置于泵体下方，也即压缩机吸气口以下，由于处在压缩过程的低压侧，相对温度较低，冷媒的流转也无需沿轴向通过整个电机。冷媒通流的主要目标是电机冷却，对冷媒通流效率的影响很小，因而无需很大的通流面积。

　　旋转式压缩机则不同，驱动电机直接参与冷媒循环，位于泵体排气口至上壳盖排气口之间的排气侧，这是高温高压的部分。冷媒的流转必须沿轴向经过整个电机。这就要求在电机轴向截面（也即铁芯）上提供比较大的冷媒通流面积，在流速一定的情况下，通流面积越大，单位时间通过的冷媒量也就越大，制冷效率会因之提高。从这个意义上说，要求提供尽可能大的通流面积。

　　采用在电机轭部开孔、开槽、切边、切弧等方式均比较常用。而对于外定子内转子的旋转电机来说，定子轭部相对于转子轭部能提供的腾挪空间更多，如。

　　（2）通流面积对电机的影响。

　　挖空定子轭部会对电机性能带来各种不利影响：①对于定子通过与外壳采取过盈设计再进行热套安装的电机，外径接触部分不能过少，接触面积过少会导致外壳与定子之间的抱紧力不足，定子不能被充分固定。②冲片内部挖空的单个面积如果过大，会影响铁芯的机械刚性，易变形。③挖空后的轭部不再是宽度均匀的圆环，轭部有效高度的估算更复杂。④磁束通过路径实际上变窄。相同磁通量条件下磁通密度上升，轭部的磁损耗变化，进而影响电机电磁特性。

　　（3）设计定子轭部。

　　①确定定子外周延的接触面积，确保铁芯周延的过盈配合量足以支撑电机自重。这将决定铁芯可以切边、切弧的尺寸上限，约 70％～80％的通流面积由此提供。

　　②进行一次粗调，在均衡磁束通路的条件下，采用开孔、开槽等方式，在铁芯内部调整，约 20%～30%的通流面积由此提供。

　　③进行一次微调，调整铁芯的边丝。

　　主要是开槽与切边之间，开孔与齿顶圆之间的边丝，目的是补足铁芯刚性，降低可能的变形量，以满足制造工艺。

　　④计算在该设计方案下的有效轭部高度，这直接影响电机电磁性能，视其是否满足压缩机的使用要求来决定是否重新设计。

　　⑤注意到在加大通流面积的同时铁芯自重也同时下降，必要时可以考虑在满足面积周长比（通流面积/接触周长）的条件下适度调整切边、切弧的尺寸。

　　（4）有效轭部高度的计算。

　　如 所示的电机，不要求通流面积，而且其定子外径圆与齿顶圆同心，故其有效定子轭部高度＝（定子外直径－定子齿顶圆直径）/2；然而通流面积对定子轭部设计的影响，使得定子轭部高度在径向的不同角度上各不相同，对某一磁束闭环来说，其通过定子轭部的磁通密度也随径向角度而发生变化。一般来说，闭合磁路上的有效轭部高度可以通过对磁束通过路径的宽度进行积分获得。

　　在轭部设计形式比较复杂的电机中，积分路径往往比较复杂，而且一旦更换冲片形状，就需要重新排设积分路径，计算繁琐，通用性也较差。工业实践设计中，对于仅作切边处理的铁芯冲片，往往采用经验公式来近似估算。

　　如 所示，估算有效轭部高度 L＝b＋（a－b）/3；显而易见，对于更复杂的轭部设计，经验公式无法提供足够准确的估算。

　　3. 等效面积法

　　对比较复杂的轭部设计，可以使用等效面积法。

　　（1）原理。

　　磁束通过路径上的轭部高度在单个磁路闭合环上的集合的物理表征为通过的面积，假设端部效应可以忽略不计，若保持有效磁束通过面积 S0 不变，同时保持齿顶圆半径 R0 不变，可以等效地将定子轭部圆整为外半径为 R1 的圆环，从而将形状复杂的轭部设计转化为计算过程比较简单的圆环轭部，相对准确地计算出定子有效轭部高度。

　　（2）计算方法（以 1/4 冲片为例）。

　　①按设计方案绘制铁芯冲片图纸，建立数学模型，根据模型实际测出齿顶圆半径 R0，以及铁芯冲片面积 S0.

　　②假设将定子轭部圆整为外半径为R1 的圆环，则必有 S1＝（πR121/4）。

　　③根据面积等效原理，可以列式S1＝（πR021/4＋S0）。

　　④根据上述两式可以计算出 R1，则可以估算有效定子轭部高度 L＝R1－R0.

　　（3）验证。

　　该算法在大功率旋转式压缩机的配套电机设计上试应用，根据等效面积原理估算有效定子轭部高度，用于估算电机的电磁性能设计值，与样品试制后的试验结果比对，发现与实测性能数据非常接近。

　　4. 结论

　　旋转式空调压缩机配套电机的轭部设计过程中，可以使用等效面积法对电机定子有效轭部高度进行简单可靠的估算。