基于某空调用电机开发浅谈空调用电机开发选型

基于某空调用电机开发浅谈空调用电机开发选型

蔡勋涛

珠海格力电器股份有限公司      广东珠海 519070

摘要：随着人们生活水平日益提升，空调作为生活必需品走进了千家万户，人们在选择空调时最重要，且最关注的必然是其安全性以及舒适性,而电机作为空调中的关键器件，其关注度与日俱增。

关键词：空调 电机 选型

一 前言

电机作为空调器的关键部件，作用为带动风叶运转加速两器热交换；而电机作为空调中的主要运动部件，如果选型不当，则会引发壳体振动、转速异常、频繁保护等问题，因此选型必须严谨，那么在电机选型设计阶段就有必要模拟各种非正常运行条件下运转情况，来测试评估电机的可靠性和安全性，以验证开发选型的正确性。

出口北美某地区的12K普通能效机型引能效余量不足，在19年暂停生产。面对市场空缺，急需开发一款替代机型，而电机部分也需要重新选定，下面就基于此款电机开发来浅谈一下电机的选型方法。

二 电机开发选型的方法

选型首先需要明确客户及整机设计对电机的需求。

针对此款电机，客户及整机的需求为：安全、高效、低成本。

1、电气安全方面

电气安全相关需求中涉及：电源线的线规线径选取、护套的阻燃要求、电机热保护器选取、电机防水等级选取等。

1）电源线的线规线径选择

     电源线线规要根据出口地要求选择，线径选择需根据电机堵转电流的大小来选择。以该电机为例，电机出口地为美国，则应按照美国的UL标准，电机电源线径应选择为UL1015；额定电压堵转电流为2.65A，考虑电源电压波动以及端子压接的可靠性最终选用了UL1015 20AWG电源线。

引用标准规定：

2）护套的阻燃要求

电机自带配线需使用护套保护，而护套需具备阻燃认证，结合UL要求，电机套管需通过UL认证并取得证书、且满足VW-1阻燃要求。

引用标准规定：

3）电机热保护器的选型

    电机热保护器牌号各有不同，但我们可以按照热保护器额定断开点温度来选择。

以该电机为例，可优先选择135℃热保护器，而此款多速电机热保护器以能够保护各个档位为前提，需根据其调速方式来确定接入方式：

①若电机有零线时：采用L型调速时，热保护器应接入零线，以此来对各档保护；采用T型时，热保护器可接入零线或者档位线母线上；

②若电机无零线时：采用L型接法，则在各档上各接一个热保护器，以对各档保护；若电机采用T型接法，则热保护器需接到档位线母线上；

引用标准规定：

4）电机防水等级要求

以此款电机为例，此款窗机用电机为双轴电机，安装环境中整机顶部外壳上开有进风格栅，故此电机应按企标规定选择设计为IP44的防水等级，同时结合窗机实际使用环境的考虑进行电机的非标淋雨实验，按照如下非标淋雨装置进行实验，以一周为实验周期，上午8点-下午8点进行风机运转淋雨、下午8点-次日上午8点保持整机静置，如此往复。

实验结束后按照企标测试电机绝缘为9999KΩ，耐压测试通过，（测试电流以小于30mA为通过）。

淋雨电机解剖，要求电机内部干爽无明显水渍，且电机护套内应无水珠出现。

非标淋雨设备及实验时场景如下：

引用标准规定：

引用国标《IP防水解释》GB-T_4942.1中9.1规定：

小结：电气安全的选型是整个电机选型的重点，防水、绝缘、耐压等参数以及热保护器的选择需要在立项之初就根据出口地及确定下来并通过相应的非正常条件实验来复核验证可靠性。

2、性能结构方面

性能结构相关需求中涉及：安装尺寸、风机调速方式、风机功率转速、特性曲线、温升等。

1）安装尺寸

   安装尺寸的确定需要结合整机需求以及利用手板样机搭配首样电机的实际安装情况来最终确定，需要同时考虑电机的散热问题、电源线理线问题、电机安装难易程度等多方面的情况来确定。

   尺寸确定后公差部分需按照安装实际要求、标准给出对应公差，以该双轴电机为例，尺寸公差按室外电机标准标注，其余电机可参照标准规定：

其余种类电机可同步参考相关行业标准规定。

2）风机调速方式

风机调速方式：对抽头调速电机原则上不准采用T型绕组调速方法。如特殊情况，电机非要采用T型绕组调速的，则在1.1 Vn(Vn为额定电压)、额定负载、高档运行时，测量其低档与零线之间的电压（此电压为感应电压），要求此电压符合相关要求，以免影响电机寿命。

但是在实际开发中发现，T型调速方式能增强电机抗谐波能力，有效改善电机谐波噪音；而T型调速也存在一些问题，即对于最高档及最低档转速间隔较大的电机，T型调速的电机会出现槽满率过高的问题，导致生产困难报废率升高，从而增加电机成本，并且T型调速的低档感应电压问题也不可忽视。

所有选择电机调速方式时，要综合考虑电机的各档位转速、电机槽满率、电机低档感应电压以及电机在谐波电源下的噪音情况。

3）风机功率转速

确定风机转速和功率时，首先要用电机搭配新开发的系统测试摸底后再确定风机转速值，想要选择合适转速，风道设计是关键因素，风道差异会导致整机风量无法正确评估，从而导致电机转速无法正确选定范围。

当然电机转速也不是完全取决于整机匹配，它也需要遵循自身设计的原理，各级数下的电机转速取值范围可根据如下历史经验参考选取：

风机功率要求将对应整机负载全部零部件安装到位后，电机外接接入额定电压单独上电，在25℃稳定环境下运行2小时达到稳定后，使用功率仪测试其消耗功率及对应的转速。

4）特性曲线

特性曲线方面，在电机选型时，应在确定电机转速之前，确认做样电机的特性曲线情况，确保选定的额定转速应落在对应方案电机的特性曲线“稳定区”内，以免在不稳定区时，受外界干扰而对整机性能产生影响。

选定稳定区具体原因：额定转速在“稳定区”内，可以确保在整机负载波动时，额定转速不会出现较大的异常突变，增强电机方案的稳定性。

                        稳定区示意图

标准规定：

5）温升

I、评估电机使用环境最高的温升值要求来指导电机选型时，首先应当明确整机的类型，如移动机、窗机、分体内机还是分体外机等等；然后参照下表《最高环境空气温度》并结合《定子绕组温升的限值》来确定整机的使用环境温度及温升限值；

    以该电机为例，该电机用于窗机，则属于d类使用环境；另外，电机需满足UL认证，绝缘等级为A级，则此款电机在选型时就要求其绕组温升不可超过55K。如设计时电机方案无法满足不超过55K的温升要求，则可以考虑要求厂家按照UL认证B级绝缘的标准制作电机方案，这样就可以将此款电机的温升限值提高至75K，以此来解决温升过高的问题。

标准要求之规定：

不同类型电机温升之规定：

Ⅱ、温升测试方法

温升通常按照电阻法测试，试验时首先要将电机静置在一个恒定温度（25±2℃）下12小时以上至稳定状态，然后测试高、低档的主副相初始的冷态阻值R0，并记录测试时的环境温度t0；整机分别在高低压（1.1倍电压、室内机0.75倍、室外机0.85倍）下将电机运行2小时以上至稳定状态，断开电源后尽可能快地测试对应档位的主副相绕组值R1，并记录此时环境温度t1。

绕组温升计算公式：Δt=(K+t0)R1/R0-K-t1；

其中：Δt-绕组温升值

常数，其中铜绕组时为234.5；铝绕组时为225

--t0-冷态电阻记录时的环境温度

--t1-热态电阻记录时的环境温度

--R0-被测电机的冷稳态电阻

--R1-被测电机的热稳态电阻

Ⅲ、用户体验方面

涉及用户体验的部分，对于电机选型主要集中在噪音方面。

   电机的噪音评估实验一般不可以留到电机开发选型的最后，应该在电机转速范围确定后开始评估电机的噪音振动情况；

    1）应首先明确初步选定电机的固频数据、电机搭配实际使用风叶的固频数据，确保固频数据中不应出现电机电源频率的倍频峰值；

   2）电机单体手动转动电机轴时耳听应不存在异音，空载上电后耳听电机运转时声音应轻快顺畅，不应出现异响，例如轴承摩擦声或电磁嗡嗡声等，如出现摩擦声则应当为轴承受损或定转子内出现杂物引起，此时应更换同批次其他电机来安排噪音测试，并解剖故障电机来分析；

     3）实际装机后，上电测试电机噪音，在高低压范围内（1.1倍电压、室内机0.75倍、室外机0.85倍）范围内调整，整机噪音应和谐轻快，无异常杂音。使用噪音频谱采集设备放置在距电机出风口1m的水平位置处采集频谱，频谱中不应出现明显峰值数据，其中倍频于电源频率的噪音如出现峰值则应重点关注，应分析电机电磁方案，调整方案改善电机噪音情况。

4）几种判定噪音来源的方法：

①通过噪音采集来明确噪音频率，通过明确电机风叶叶片数M，电机实际转速n来计算，风叶的旋转噪音频率f1=M*n/60；

②在电机正常运转时，突然断掉电源，来体验原噪音的变化情况，其中电磁噪音会因电源切断而瞬间消失，其他噪音却因为电机未立马停止运转而继续存在，以此可以判定电机噪音是否为电磁噪音；

③有些零件、部件在电机运行过程时，由于共振发生机械噪声，如端盖、电机支架、隔板等。可以通过更换电机支架、风叶、整机外壳等零部件来观察电机噪音的变化情况，可以分辨出电机噪音是否是因为共振引起的机械噪音。

3、 成本

涉及成本的方面，客户及整机设计的需求始终是已低成本高质量为目标；而在实际的电机选型中，更是要将成本意识要贯穿始终，针对前面选型的几点：电气安全、性能结构以及用户体验三点评估选型时，需要确保选型验证留足余量但又要合理压缩余量，做到安全可靠成本低。

以该空调电机为例，选型之初考虑到降本的前提，故优先考虑的铝漆包线电机，同时又安排了诸如盐雾、可靠性长期实验等针对铝漆包线电机的实验，确保了选型电机安全可靠。

而电机的线材、线径、护套、轴承等零部件的选择也要根据使用地、使用环境等参数因地而异、因环境而异，将电机成本控制在最合理范围内，杜绝一刀切和胡乱借用的情况出现。

 三 总结

电机选型时一定要有全局观，预先规划好选型的路线，同时所有涉及到安全方面的问题都需要重点验证，千万不要等电机已经选定后再去核实安全参数，这样会使之前的选型工作白白浪费。

在空调器电机选型初步确定后验证时，整机零部件一定要装配整齐，因为空调器各个部件不是各自孤立存在的，各个零部件都是相互关联的。因此在任何一个关键因素变化时，需要将电机的选型实验重新进行验证，以保证空调设计性能优化。

参考文献：

【1】陈世坤.电机设计[M].北京机械工业出版社.2004

【2】沈标正.电机故障诊断分析. 北京机械工业出版社.1996

【3】俞鑫昌等.低噪声电机. 北京电机工程学会.1996

【4】（美）乌曼著. 电机学. 电子工业出版社.2014-10-01