摘要：為了提高電機性能，本文對一款功率為10kW，轉(zhuǎn)速為100krpm的空氣壓縮機的永磁電機進行了設(shè)計和分析。針對電機的設(shè)計指標，選擇電機材料并計算出電機的性能和尺寸參數(shù)。對轉(zhuǎn)速與電流、效率以及力矩的性能曲線來分析所選擇的電機設(shè)計參數(shù)，同時利用有限元分析電機的定轉(zhuǎn)子損耗。最后通過分析轉(zhuǎn)子護套材料、以及轉(zhuǎn)子與護套間過盈量的應(yīng)力，分析過盈量范圍對電機安全系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，采用水循環(huán)的定子，電流密度可以比普通電機偏大。同時，保護套與芯軸邊緣損耗較大。

關(guān)鍵詞：永磁電機;有限元分析;損耗分析;過盈量

中圖分類號：TM301.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0059-03

0 ?引言

空氣壓縮機是一種用于壓縮氣體的設(shè)備，其電機有感應(yīng)電機、無刷直流電機、高速永磁電機等，而高速永磁電機的利用率比高速感應(yīng)電機的更好，所以對于永磁電機的研究比較廣泛[4-7]。Bailey C等[1]闡述了一臺功率為8mW，轉(zhuǎn)速為15000rpm，用于壓縮機的高速永磁電機在石化行業(yè)的應(yīng)用。該電機定子采用低損耗硅鋼片，轉(zhuǎn)子軸承采用主動磁力軸承和滾動軸承，并采用轉(zhuǎn)子動力學(xué)原理分別對兩種不同類型的軸承進行了比較。Soong等[2]對一臺用于離心式壓縮機的高速高效感應(yīng)電機進行了電磁和機械設(shè)計，并對3種不同類型的電機（開關(guān)磁阻電機，永磁同步電機，感應(yīng)電機）的電磁特性、損耗、機械特性進行了比較。Jang S M等[3]介紹了一個高速、高功率密度直流無刷電機，功率為50kW，70wrpm級離心壓縮機的設(shè)計和分析。用理論分析方法對高速電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計準則和功率損耗進行分析，并用有限元法對結(jié)果進行了驗證。

針對這款額定功率功率為10kW，額定轉(zhuǎn)速為100krpm的空氣壓縮機，本文對它所適用的電機進行設(shè)計和分析。首先應(yīng)該選擇電機材料并計算出性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，對轉(zhuǎn)速與電流、效率以及力矩的性能曲線來分析所選擇的電機設(shè)計參數(shù)，同時利用有限元分析電機的定轉(zhuǎn)子損耗。最后通過分析轉(zhuǎn)子護套材料、以及轉(zhuǎn)子與護套間過盈量的應(yīng)力，來達到減小電機內(nèi)部損耗，提高電機性能的目的。

1 ?材料與方法

1.1 材料的選擇

電機定子是電機中重要部分，主要是定子鐵芯、定子繞組和機座三部分組成。主要是給電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。在本文中定子材料選用厚度0.2mm，特殊用途的無取向電工鋼，型號為20WTG1500。在1.0T和400Hz下，損耗分別小于9.0W/kg和15W/kg。飽和磁感不小于1.4T，疊裝系數(shù)為92%。

1.2 電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

定子繞組結(jié)構(gòu)采用24槽結(jié)構(gòu)，繞組連接方式為雙層短距星形連接，每相匝數(shù)為24。為了減小肌膚效應(yīng)的影響，每匝采用多股并繞。而轉(zhuǎn)子采用兩極結(jié)構(gòu)，環(huán)形永磁體中部為芯軸用以傳遞扭矩，與永磁體之間采用粘合連接，為保障永磁體在高速旋轉(zhuǎn)下不受離心力破壞，環(huán)形永磁體外部設(shè)置保護套，保護套與環(huán)形永磁體間采用過盈配合。

通過對設(shè)計參數(shù)的選取與計算，滿足上述條件的電機參數(shù)如表1所示。

1.3 電機數(shù)值計算模型

用于這款空氣壓縮機的永磁電機的二維數(shù)值計算模型和三維數(shù)值計算模型如圖1所示。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 電機性能分析

通過已有的思路設(shè)計出的模型，接下來我們需要進行轉(zhuǎn)速與電流、效率、力矩的性能分析，驗證其是否符合設(shè)計需求和安全要求。如圖2所示，由轉(zhuǎn)速與電流，轉(zhuǎn)速與效率，轉(zhuǎn)速與力矩關(guān)系曲線圖可知轉(zhuǎn)速達到100000rpm時，電流與力矩基本符合設(shè)計參數(shù);并且在60000-100000rpm，效率都在80%以上，100000rpm時，效率在90%以上。所以通過對轉(zhuǎn)速與電流、效率、力矩的性能分析，這個電機在性能方面是符合設(shè)計需求的。

2.2 額定狀態(tài)下運行結(jié)果分析

本次模擬采用的具體工況為電壓250V，轉(zhuǎn)速99500rpm，對得到此工況額定狀態(tài)下的力矩和電流曲線進行分析。由圖3可以得知：從力矩曲線圖中看出在額定狀態(tài)下運行的力矩均值為0.98N.m，由于電機極數(shù)少，力矩波動相對多極電機大，波動幅度為0.18N.m，占力矩均值的18.3%，考慮到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大，力矩波動的周期較短，其對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的影響可以忽略不計。從電流曲線中看出額定狀態(tài)下的電流均值為42.66A。通過電流值可求得電流密度為9.42A/mm2，由于定子采用循環(huán)水冷卻，電流密度可以比普通電機偏大。通過以上電流均值和力矩均值，可求得電機的力矩常數(shù)為0.023N/A。

2.3 電機的損耗分析

電機的損耗分析可以分成對定子損耗和轉(zhuǎn)子損耗，具體實驗方案分析在266V，100krpm時額定運行狀態(tài)的定子損耗和250V，99500rpm時額定運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)子損耗。如圖4所示，可以看出定子損耗主要分布在定子軛與定子齒的結(jié)合部位，這是由于這個位置的磁密大引起的;定子的損耗數(shù)值比轉(zhuǎn)子的損耗數(shù)值大。

3 ?結(jié)論

本文對功率10kW，轉(zhuǎn)速100krpm的空氣壓縮機的永磁電機進行了設(shè)計和分析。選擇了電機材料并計算電機的性能和尺寸參數(shù)。利用有限元分析電機的定轉(zhuǎn)子損耗。最后分析了轉(zhuǎn)子護套材料、以及轉(zhuǎn)子與護套間過盈量的應(yīng)力。結(jié)果表明，采用水循環(huán)的定子，電流密度可以比普通電機偏大。同時，保護套與芯軸邊緣損耗較大。

參考文獻：

[1]Bailey C ， Saban D M ， Guedes-Pinto P . Design of High-Speed， Direct-Connected， Permanent-Magnet Motors and Generators for the Petrochemical Industry[C]// IEEE Petroleum & Chemical Industry Technical Conference. IEEE， 2007： 1159-1165.

[2]Soong， Wen L ， Kliman， et al. Novel High-Speed Induction Motor for a Commercial Centrifugal Compressor.[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2000.

[3]Jang S M ， Cho H W ， Choi S K . Design and Analysis of a High-Speed Brushless DC Motor for Centrifugal Compressor[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2007， 43（6）：2573-2575.

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作者簡介：倪淮生（1975-），男，安徽繁昌人，技術(shù)總監(jiān)，工程師，研究方向為燃料電池系統(tǒng)集成。