无霜冰箱风扇电机性能及对节能的影响

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来源 | 网络

【导读】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。

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。

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。

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) 。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。

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) 。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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