張 宙，宋 萍，李 薇

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著永磁電機技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，永磁電機在超高速直驅(qū)應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢也越來越明顯[1]。其中一個重要的應(yīng)用方向是作為商用中央空調(diào)離心冷水機組的驅(qū)動部件。

在民用場合，國際壓縮機巨頭丹弗斯已經(jīng)在商用高端壓縮機領(lǐng)域成功實現(xiàn)超高速永磁電機直驅(qū)的產(chǎn)業(yè)化，相較而言，國內(nèi)在實際商業(yè)應(yīng)用方面，仍有不小的差距。

在軍用場合，主要作為陸上、水面艦船離心冷水機組等冷卻系統(tǒng)的驅(qū)動部件應(yīng)用。國外最新列裝的艦船冷卻系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)超高速永磁電機直接驅(qū)動離心式壓縮機，而國內(nèi)仍處于2極異步電機通過齒輪箱升速驅(qū)動離心式壓縮機的階段，不僅浪費艦船空間，同時也增加了對船體振動噪聲的影響，特別對大型艦船的影響更為明顯。

1 磁極形式對比分析

1.1 表貼式磁極方案

磁極形式設(shè)計是高速永磁電機設(shè)計的關(guān)鍵，永磁材料能承受較大的壓應(yīng)力(約1 000 MPa)，但不能承受大的拉應(yīng)力，其抗拉強度低于抗壓強度的十分之一(約80 MPa)。如果沒有保護措施，永磁體無法承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的巨大離心力[2]。

目前，保護表貼式永磁體的措施有兩種：一種保護方法是采用碳纖維綁扎永磁體；另外一種是在永磁體外面加一高強度非導(dǎo)磁金屬保護套。與采用非導(dǎo)金屬保護套相比，碳纖維綁扎帶的厚度要小，而且不產(chǎn)生高頻渦流損耗[3]。然而目前滿足該樣機碳纖維綁扎的大預(yù)緊拉力的機器國內(nèi)無法生產(chǎn)，進口亦被限制，人工綁扎的工藝穩(wěn)定性無法保證，并且需要大量的試驗驗證工作，因此表貼式磁極采用外加高強度非導(dǎo)磁金屬保護套的結(jié)構(gòu)，圖1給出了表貼式磁極結(jié)構(gòu)示意圖。非導(dǎo)磁金屬保護套材料為鈦合金TC4，屈服強度高達860～1 000 MPa，永磁體采用釤鈷材料，最高工作溫度可以達到350 ℃。

圖1 表貼式磁極結(jié)構(gòu)示意圖

由于永磁體能夠承受很大的壓應(yīng)力而不能承受較大的拉應(yīng)力，永磁體和保護套之間可以采用大過盈配合，使永磁體靜態(tài)承受一定的預(yù)壓應(yīng)力。表貼式磁極方案材料特性列表如表1所示。

表1 表貼式磁極方案材料特性列表

通過轉(zhuǎn)子靜止和轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析，校驗護套是否能夠承受所允許的應(yīng)力，保證高速電機的安全運行，并且根據(jù)摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩的概念，考慮過載及工程余量后，在最惡劣情況下仍需要永磁體和磁軛存在一定的壓應(yīng)力。由于鈦合金護套的熱膨脹系數(shù)略低于永磁體，所以超速旋轉(zhuǎn)時受力最惡劣的情況為室溫下的超速旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過有限元分析，可以得到護套單邊過盈量至少要達到0.40 mm，考慮到各種公差配合以及熱套工藝間隙，不能保證熱套溫度控制在350 ℃左右，熱套過程中有使永磁體發(fā)生不可逆退磁的風(fēng)險。

從圖2可以看出，超速10 250 r/min時(20 ℃)護套承受的最大等效應(yīng)力約為490 MPa。

圖2 超速10 250 r/min時表貼式磁極等效應(yīng)力分布圖

1.2 內(nèi)置式磁極方案

內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)子中的永磁體受隔磁橋保護，結(jié)構(gòu)相對牢固。內(nèi)置式永磁同步電動機需要較小尺寸的隔磁橋使其易于達到深度飽和以減小漏磁，提高電機電磁性能。但另一方面，隔磁橋厚度也影響轉(zhuǎn)子機械強度，通常隔磁橋位于轉(zhuǎn)子外緣，電機高速運行時產(chǎn)生的離心力會引起轉(zhuǎn)子形變。因此需要增大隔磁橋厚度使轉(zhuǎn)子高速運行時不至于發(fā)生嚴重的塑性變形。

內(nèi)置式磁極方案中還需要著重考慮高速旋轉(zhuǎn)機械應(yīng)力的分布問題，通過永磁體的擺放和隔磁橋搭配的關(guān)系，降低最大應(yīng)力與平均應(yīng)力的比值。比較常見的是將原本的整塊永磁體分成數(shù)段小塊的永磁體，之間用較窄的隔磁橋進行分隔。每極隔磁橋總寬度一樣的情況下，永磁體和隔磁橋分布布置的最大應(yīng)力會遠低于集中布置的情況。

內(nèi)置式磁極方案材料特性列表如下表2所示。

表2 內(nèi)置式磁極方案材料特性列表

圖3分別給出了兩種內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)的示意圖，圖4則分別給出了超速10 250 r/min時的磁極應(yīng)力分布情況。

從圖4可以看出，超速10 250 r/min時內(nèi)置磁極結(jié)構(gòu)方案一的最大等效應(yīng)力約為672 MPa；方案二的最大等效應(yīng)力約為535 MPa。轉(zhuǎn)子磁極疊片采用武鋼的磁軛熱軋鋼板WDER700(屈服≥700 MPa)，厚度約為3 mm，每片鋼板要刷絕緣漆。

可以看出，方案二由于磁鋼的倒“U”形布置，隔磁橋徑向上方的極靴面積較小，因此隔磁橋所承受的附加極靴離心力較小。同時能更有效的增加磁鋼布置空間，因此最終磁極形式采用內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)方案二。內(nèi)置式方案二磁極疊片和轉(zhuǎn)軸間單邊過盈量為0.04～0.08 mm，考慮到各種公差配合以及熱套工藝間隙，能保證熱套溫度控制在250 ℃左右，能確保熱套過程中磁極疊片的片間絕緣不被破壞。

圖3 內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 超速10 250 r/min時內(nèi)置式磁極等效應(yīng)力分布圖

2 電磁場分析

圖5和圖6分別給出了永磁電動機在空載和額定負載工況下的磁場分布情況，可以看出電機磁密分布合理，無局部過飽和點。

3 轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析

轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析是超高速永磁電機研制的關(guān)鍵核心技術(shù)。試驗樣機機組采用同軸驅(qū)動的一臺630 kW永磁電動機和620 kW發(fā)電機組成。兩臺電機參數(shù)完全一致，用發(fā)電機模擬壓縮機對轉(zhuǎn)子進行動力學(xué)測試，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析結(jié)果列于表3。

圖5 空載磁場分布示意圖

圖6 負載磁場分布示意圖

表3 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速 r/min

轉(zhuǎn)子軸系的Campbell圖如圖7所示，圖8給出了轉(zhuǎn)子軸系的第1階和第2階振型。

圖7 轉(zhuǎn)子軸系的Campbell圖

可見，轉(zhuǎn)子將穩(wěn)定運行在1階臨界轉(zhuǎn)速以上，2階臨界轉(zhuǎn)速以下，與長期穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速的差距均在20%以上。

圖8 轉(zhuǎn)子軸系振型示意圖

4 樣機試制

根據(jù)文中前面章節(jié)的研究內(nèi)容，最終完成了630 kW，8 200 r/min離心冷水機組直驅(qū)永磁電機試驗樣機機組的研制工作。

試驗樣機機組軸系順利完成了1.25倍10 250 r/min的超速試驗，后續(xù)將開展其他驗證工作。

5 結(jié)論

以一臺630 kW，額定轉(zhuǎn)速8 200 r/min的超高速永磁電機為例，針對其中的幾個關(guān)鍵技術(shù)點進行研究，包括磁極形式的對比分析、電磁場分析和轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析等。通過對比、分析，最終采用內(nèi)置式磁極形式，并進行了電磁場和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的優(yōu)化。并通過同軸的發(fā)電機模擬壓縮機研制試驗樣機機組，其軸系順利完成了1.25倍10 250 r/min的超速試驗，后續(xù)將開展其他驗證工作。