摘要：為了提高電機(jī)性能，本文對一款功率為10kW，轉(zhuǎn)速為100krpm的空氣壓縮機(jī)的永磁電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。針對電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇電機(jī)材料并計(jì)算出電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)利用有限元分析電機(jī)的定轉(zhuǎn)子損耗。最后通過分析轉(zhuǎn)子護(hù)套材料、以及轉(zhuǎn)子與護(hù)套間過盈量的應(yīng)力，分析過盈量范圍對電機(jī)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(jī)偏大。同時(shí)，保護(hù)套與芯軸邊緣損耗較大。

關(guān)鍵詞：永磁電機(jī);有限元分析;損耗分析;過盈量

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

0 ?引言

空氣壓縮機(jī)是一種用于壓縮氣體的設(shè)備，其電機(jī)有感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、高速永磁電機(jī)等，而高速永磁電機(jī)的利用率比高速感應(yīng)電機(jī)的更好，所以對于永磁電機(jī)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(jī)的高速永磁電機(jī)在石化行業(yè)的應(yīng)用。該電機(jī)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(jìn)行了比較。Soong等[2]對一臺用于離心式壓縮機(jī)的高速高效感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了電磁和機(jī)械設(shè)計(jì)，并對3種不同類型的電機(jī)（開關(guān)磁阻電機(jī)，永磁同步電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)）的電磁特性、損耗、機(jī)械特性進(jìn)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(jī)，功率為50kW，70wrpm級離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和分析。用理論分析方法對高速電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和功率損耗進(jìn)行分析，并用有限元法對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)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(jī)，本文對它所適用的電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。首先應(yīng)該選擇電機(jī)材料并計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)利用有限元分析電機(jī)的定轉(zhuǎn)子損耗。最后通過分析轉(zhuǎn)子護(hù)套材料、以及轉(zhuǎn)子與護(hù)套間過盈量的應(yīng)力，來達(dá)到減小電機(jī)內(nèi)部損耗，提高電機(jī)性能的目的。

1 ?材料與方法

1.1 材料的選擇

電機(jī)定子是電機(jī)中重要部分，主要是定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座三部分組成。主要是給電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(hù)套，保護(hù)套與環(huán)形永磁體間采用過盈配合。

通過對設(shè)計(jì)參數(shù)的選取與計(jì)算，滿足上述條件的電機(jī)參數(shù)如表1所示。

1.3 電機(jī)數(shù)值計(jì)算模型

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

2 ?結(jié)果與討論

2.1 電機(jī)性能分析

通過已有的思路設(shè)計(jì)出的模型，接下來我們需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速與電流、效率、力矩的性能分析，驗(yàn)證其是否符合設(shè)計(jì)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(dá)到100000rpm時(shí)，電流與力矩基本符合設(shè)計(jì)參數(shù);并且在60000-100000rpm，效率都在80%以上，100000rpm時(shí)，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(jī)在性能方面是符合設(shè)計(jì)需求的。

2.2 額定狀態(tài)下運(yùn)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(jìn)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(yùn)行的力矩均值為0.98N.m，由于電機(jī)極數(shù)少，力矩波動相對多極電機(jī)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(jì)。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(jī)偏大。通過以上電流均值和力矩均值，可求得電機(jī)的力矩常數(shù)為0.023N/A。

2.3 電機(jī)的損耗分析

電機(jī)的損耗分析可以分成對定子損耗和轉(zhuǎn)子損耗，具體實(shí)驗(yàn)方案分析在266V，100krpm時(shí)額定運(yùn)行狀態(tài)的定子損耗和250V，99500rpm時(shí)額定運(yùn)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(jī)的永磁電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。選擇了電機(jī)材料并計(jì)算電機(jī)的性能和尺寸參數(shù)。利用有限元分析電機(jī)的定轉(zhuǎn)子損耗。最后分析了轉(zhuǎn)子護(hù)套材料、以及轉(zhuǎn)子與護(hù)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(jī)偏大。同時(shí)，保護(hù)套與芯軸邊緣損耗較大。

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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?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)集成。