无霜冰箱风扇电机性能及对节能的影响

2014-08-28李成武

制冷 2014年2期

李成武，隆莹，杨敏

[海信容声(广东)冰箱有限公司，广东佛山 528300]

1 前言

目前无霜冰箱在国内市场被广大消费者接受，冰箱的能耗也越来越低，噪音也越来越小，价格也不太高，过去无霜冰箱的高噪音、高价格、易风干的问题都得到了较好的改善，这也是技术在不断进步的结果。其中作为无霜冰箱的关键零部件，风扇电机在近几年中也发生了较大的变化。在节能环保及消费市场的要求下，电机的技术也发生了较大的变化，同时电机配套的风扇性能研究也取得进步。

为研究风扇电机及对冰箱的节能影响，本论文通过对电机及风扇特性参数的研究，分析影响性能的关键原因，从而使无霜冰箱更加节能。

2 风扇电机种类

在无霜冰箱的风扇电机中，按不同分类可以分出很多种，一般可分为交流电机与直流电机。交流电机主要是单相电机，对于冰箱来说，因为成本的要求，一般都采用低价格的罩极式电机。直流电机主要是BLDC电机，一般可分为外转子与内转子两种设计方式。

交流电机与直流电机各有特点。交流电机一般用于机械温控的冰箱，冰箱的档次低，成本要求低，电机功率大，一般在6.5W左右，冰箱的能耗大。直流电机需要直流电源，功率小，一般用于高档电脑冰箱。

目前由于冰箱节能的要求，对冰箱的能耗要求越来越高，经过成本的分析比较，电机对冰箱能耗的影响会直接影响到成本的上升，高效电机更具有较强的竞争力。

因成本的竞争，各种节能的电机也不断出现。对于普通罩极电机，也可以通过改变硅钢片的牌号提高电机的效率，如硅钢牌号由50W800改为50W350后，电机的功率可以由6.5W降到5W(1)。电机的效率低下，在高温或堵转的情况下非常容易出现温升过高，从而引起火灾的重大质量问题。另外目前市场上也出现了交直流的罩极电机，成功将BLDC的技术应用到罩极电机上，功率达到直流电机的水平(2)。针对目前电机的各类，在无霜冰箱中，主要出现以下几种电机，如表1。

表1 无霜冰箱电机的种类

种类电源(V)功率(W)效率(%)价格备注交流罩极电机2206.515低硅钢50W800交流罩极电机(高效)220520低硅钢50W350交直流电机220250高罩极式BLDC直流电机(外转子)12250高绕线式BLDC直流电机(内转子)12250高绕线式

图1 罩极电机设计图

3 电机原理及性能改进

电机的种类比较大，但目前大多分为罩极式交流电机与BLDC直流电机，为更方便了解电机，对它们的原理进行简单的介绍。

3.1 罩极电机的工作原理

罩极电机因为技术简单，制造工艺简单，成本低，在许多的小家电市场上用量比较大，但它的效率比较低。在一般机械温控的无霜冰箱中，因为成本问题也主要采用此电机。罩极电机的结构见图1。从图1中可以看到它的结构非常简单，主要是由绕线圈、硅钢片、转子等组成，其中在硅钢片上设计有屏蔽环，它主要起到辅助磁场的作用。

电机原理如图2。线圈产生的磁场通过硅钢片在转子的周围产生磁极，在交流电的作用下，磁极不断发生变化。如果磁极不发生移动，转子很难启动，在一般的单相电机，都会采用主辅绕组进行启动，在罩极电机中需要产生另外一个有相位角的新磁极存在(3)。

在图3中可以见到转子所能感受到的磁场变化规律。在主磁场发生变化时，屏蔽环产生副磁场，从而出现类似磁极的移动，从而转子发生转动，在线圈变换电流方向后，新的磁场加快转子的转动(3)。

图2 电机工作原理图

图3 电机的磁场变化图

通过罩极电机的原理可以知道，硅钢片的特性参数会影响到电机的效率，所以采用不同铁损的牌号后，可以改变电机的功率与效率。

3.2 BLDC电机的工作原理

采用BLDC的直流电机主要是利用霍耳元件感应磁场的变化，切换绕线组的高低电位。在电机的转子中采用永磁材料设计成不同极数的磁极，从而可以提高电机的效率。如图4(4)。市场上也出现无霍耳元件的BLDC技术，如变频压缩机等，方便解决传感器位置设计的难题。从图5中可以看出霍耳元件在电路中的作用，通过在不同的绕组中产生不同相位的电流后，运转电机(4)。

图4 BLDC电机

4 风扇性能的参数

在风扇的性能中，电机的性能是关键，但电机的性能除本身的原理产生以外，外部对它的影响也比较大，电机承受的不同负载也会影响到电机的特性，尤其功率的变化。对于冰箱来说，电机的负载主要与配套的扇叶有比较大的关系，同时还与电机的电压有关，电压越高，电机的转速也越高，功率越大，在电机的输出功不变的情况下，扇叶的直径越小，则电机的转速也越高。电机效率的高低需要与扇叶进行匹配，才能更好地体现电机的作用，对于相同的电机匹配不同的扇叶也会产生不同的性能，对于相同的电机，在输入不同的电压后，性能与电机的参数也会发生很大的变化。

在研究无霜冰箱的节能，一方面除了考虑电机的本身功耗外，还需要了解风扇的性能。

4.1 电机对风扇性能的影响

在风扇的性能中，主要的参数有静压、全压、效率、功率、风量、风压等，全压主要是动压与静压的合值，而动压为风扇的动能。

效率的计算公式如下[1]：

η=Ρ×Q÷(3600×W)

式中：η—风扇效率；P—风扇全压，Pa；Q—风扇的风量，m3/h；W—电机的输入功率，W。

图6所示为罩极电机的性能曲线图。从图6中可以看出，风量在增加时，风压在减少，风扇效率只有5%左右，说明在电机装配扇后，效率降低很多。

图6 罩极电机风扇的性能曲线

图7 直流电机风扇的性能曲线

由于风扇的效率比较低，大部分的功耗最后都变成了热能，如果电机在冰箱的内部，则都变成了冰箱的热负荷，这部分热负荷都需要通过压缩机的制冷进行转移。

电机的功耗大对冰箱的能耗影响有两方面，一个是电机本身的耗电量，另一个是电机产生的热能形成的热负荷，通过压缩机消耗的电量。

同样由图7可以看出BLDC直流电机的风扇性能，除了在P-Q曲线上的不同外，BLDC电机与罩极电机在风扇的性能上相差不大，说明在电机的输出功相同的情况下，风扇的性能相当。将风扇的效率进行对比，采用BLDC的电机风扇效率明显高于罩极电机，因而对无霜冰箱的节能作用要明显高于罩极电机。

4.2 电机输入电压对性能的影响

对于电机输入电压不同，对电机的转速会产生影响，从而对风扇的性能产生影响。对于交流电机，电压的波动范围不大，主要受到电网的影响，而不是自动调节，但这种波动对风扇的性能也会产生影响。对于BLDC电机，由于可以采用调压的设计，电机的变化大，风扇的性能变化也大。

由图8可以看出，在不同的电压下，风扇的性能变化很大。电压越高，风扇产生高的风量与风压，对无霜冰箱来说，换热的效率更高，冰箱也节能，但是在高电压下电机的功率也发生了变化，电机的功率在变大，增加了冰箱的能耗。针对两种相互制约的因素影响，需要在冰箱上具体分析匹配。在电机的电压加大时，电机的转速加高，冰箱的噪音也会变大。

图8 采用离心扇叶直流电机风扇的性能曲线

4.3 风扇扇叶对性能的影响

在影响风扇的性能因素中，除电机及电源外，还有很多其它的影响因素，其中扇叶不同设计的影响非常明显，一般在无霜冰箱中，设计有轴流扇叶，离心扇叶等。如图10为采用轴流扇叶的直流电机风扇的性能曲线。对比图8与图10，可以发现两者在性能曲线上有比较大的差别，离心风扇可以提供较好的风压，但是功率大，轴流风扇对于风道系统阻力较小的冰箱比较适合。

图9 直流电机在不同风量下参数变化

图10 采用轴流扇叶直流电机风扇的性能曲线

另外对于轴流风扇来说，导流圈的设计也会影响到性能的变化，如图11。不同扇叶的直径大小也会影响大风扇的性能参数，离心扇的高度同样会产生不同的效果。对于不同的风扇会产生不同的效果，如图12，但是对于无霜冰箱来说，选择合适的风扇比较重要，这需要了解冰箱本身的风道阻力设计，通过风洞测试出风道的阻力曲线后，可以更好地选合适的工作点，如表2[注]。

图11 轴流风扇导流圈对风扇的性能曲线

图12 不同风扇的综合性能对比曲线

表2 不同风扇参数及工作点

导流圈直径(mm)1001001008510810085扇叶直径(mm)110130110110100110110电压(V)13121212121010风扇类型离心离心离心离心轴流离心离心实际工作点对应风量(m3/h)72696763605754

图13 冰箱仿真软件计算示意图

5 节能的影响

对于电机及风扇的性能变化，最后都会对冰箱的能耗产生影响，整体上说，电机的功率越低，则冰箱的能耗越小，电机的效率越高，则冰箱的能耗也越小，而对于风扇的性能来说，对冰箱的能耗影响则复杂很多，风量与风压对冰箱性能的影响，与冰箱本身的风道设计有关，也可以通过改变风道的阻力设计来调整工作点，在风扇的不同设计中，也可以通过调整达到相同的结果。但对于电机功率对冰箱能耗的影响，可以通过仿真的软件进行计算出对节能的影响。

在其它参数不变的情况下，将交流电机由5W改为2W的高效交直流电机后，冰箱的性能变化如表3。

表3 不同电机下冰箱的能耗变化