變頻螺桿壓縮機(jī)用永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究

陳麗香，褚?guī)浘?/p>

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，遼寧沈陽(yáng)110870)

變頻螺桿壓縮機(jī)用永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究

陳麗香，褚?guī)浘?/p>

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，遼寧沈陽(yáng)110870)

永磁變頻螺桿壓縮機(jī)是未來(lái)螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。本文針對(duì)所設(shè)計(jì)的額定功率45kW、額定轉(zhuǎn)速4000r/min壓縮機(jī)用永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。研究?jī)?nèi)容包括:①用有限元法分析了不同隔磁磁橋?qū)挾葘?duì)電機(jī)性能的影響;②利用非均勻氣隙方法對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化并分析了非均勻氣隙對(duì)電機(jī)性能的影響;③利用ANSYS有限元軟件，對(duì)優(yōu)化前、后轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度有限元計(jì)算，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)電機(jī)的安全性。

螺桿壓縮機(jī);隔磁磁橋;永磁電機(jī);機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算

1 引言

壓縮機(jī)一直是用電大戶，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，壓縮機(jī)用電量占工廠用電量的30%～40%，占全國(guó)發(fā)電總量8%以上，作為用電大戶的壓縮機(jī)產(chǎn)品的節(jié)能問(wèn)題是今后我國(guó)節(jié)能減排的重點(diǎn)［1］。電機(jī)是壓縮機(jī)的心臟，其效率的高低是壓縮機(jī)能效提高的重要影響因素［2］。目前國(guó)內(nèi)變頻螺桿壓縮機(jī)大多采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而異步電動(dòng)機(jī)效率低、變頻控制比較復(fù)雜，因此，永磁電機(jī)以其優(yōu)異的性能成為許多科研機(jī)構(gòu)研究和開(kāi)發(fā)的對(duì)象。

本文研究的永磁電機(jī)與壓縮機(jī)主機(jī)采用內(nèi)嵌式一體軸直連結(jié)構(gòu)，即電機(jī)轉(zhuǎn)子與壓縮機(jī)共軸，提高了傳動(dòng)效率，進(jìn)一步提升了整體效率，達(dá)到節(jié)能效果。目前，采用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)并不是非常普遍，只有一些知名的廠家開(kāi)發(fā)了永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)。除了主要的技術(shù)上的原因外，永磁材料的價(jià)格是限制其推廣的一個(gè)重要因素。然而隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的不斷實(shí)施以及技術(shù)的進(jìn)一步完善，永磁變頻壓縮機(jī)是未來(lái)螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 磁橋?qū)挾葘?duì)電機(jī)性能影響

隔磁磁橋的作用有兩個(gè):①將轉(zhuǎn)子沖片連成一個(gè)具有足夠機(jī)械強(qiáng)度的整體;②通過(guò)磁橋部位漏磁通的飽和限制永磁體的漏磁［3］。

隔磁磁橋?qū)挾仍叫?，磁橋部位磁通越飽和，限制漏磁效果越?但是其寬度不能過(guò)小，否則將使沖片機(jī)械強(qiáng)度變差，縮短沖模的使用壽命。隔磁磁橋長(zhǎng)度尺寸大小的變化對(duì)磁橋部位磁通影響不是很大。本文在保持電機(jī)其他參數(shù)不變的前提下，以0.2mm為間隔，對(duì)比了0.8～1.8mm之間不同的磁橋?qū)挾认码姍C(jī)的整體性能。

圖1為轉(zhuǎn)子隔磁磁橋結(jié)構(gòu)，其中b為磁橋?qū)挾?表1為采用不同隔磁磁橋?qū)挾认驴蛰d漏磁因數(shù)、氣隙磁密正弦性諧波畸變率變化規(guī)律;圖2為隔磁磁橋處磁力線。

圖1 轉(zhuǎn)子隔磁磁橋結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of rotor magnetic bridge

由表1可見(jiàn)，隨著隔磁磁橋?qū)挾仍黾?，氣隙磁密正弦性畸變率變化較小，反映出磁橋?qū)挾葘?duì)氣隙磁密畸變率影響較小;而電機(jī)的漏磁因數(shù)由1.234增加至1.355，這是因?yàn)?，永磁體向外磁路提供的總磁通是不變的，隨著隔磁磁橋?qū)挾鹊脑黾?，?jīng)過(guò)磁橋部分的磁力線增多(見(jiàn)圖2)，導(dǎo)致漏磁通增加、主磁通減少，進(jìn)而影響電機(jī)的性能。

圖2 不同隔磁磁橋?qū)挾认麓艠蛱幋帕€Fig.2 Magnetic line of force under different magnetic bridge widths

表1 不同隔磁磁橋?qū)挾认侣┐乓驍?shù)和氣隙磁密畸變率Tab.1 Magnetic flux leakage coefficient and air gap flux density aberration rate under different magnetic bridge widths

3 非均勻氣隙對(duì)電機(jī)性能的影響

永磁同步電動(dòng)機(jī)多采用均勻氣隙的結(jié)構(gòu)，氣隙磁場(chǎng)中含有大量諧波。本節(jié)通過(guò)改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的形狀，將轉(zhuǎn)子原來(lái)的內(nèi)外徑同心改為等半徑，這樣一方面使得永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較好的正弦波氣隙磁場(chǎng);另一方面，永磁體采取偏心結(jié)構(gòu)，提高氣隙磁密正弦度，減小空載磁密諧波大小，提高基波分量，改善電動(dòng)機(jī)性能。

對(duì)于傳統(tǒng)電機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子沖片是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓形，即轉(zhuǎn)子沖片外圓是以點(diǎn)O為圓心的圓。采用不均勻氣隙結(jié)構(gòu)后，在永磁體磁極跨距范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子沖片圓周以點(diǎn)O'為圓心，其余部分仍以點(diǎn)O為圓心，定義OO'為偏心距［4］，δmin、δmax分別如圖3所示。

圖3 偏心氣隙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of non-uniform air gap

當(dāng)采用不同的偏心距OO'時(shí)，空載氣隙磁密波形正弦性畸變率如圖4所示;圖5為采用不同的δmax/δmin值時(shí)氣隙磁密基波幅值;不同的偏心距OO'時(shí)氣隙磁密基波幅值參數(shù)見(jiàn)表2。

圖4 不同δmax/δmin時(shí)空載氣隙磁密波形正弦性畸變率Fig.4 Waveform of no-load air gap flux density distortion rate on different δmax/δmin

由圖4可以看出，隨著δmax/δmin增加，空載氣隙磁密波形正弦性畸變率逐漸減小，此外，隨著偏心距的增加，電機(jī)漏磁因數(shù)增大，從而導(dǎo)致氣隙磁密基波幅值和反電動(dòng)勢(shì)降低，電機(jī)性能降低。

因此，為了保證電機(jī)的性能，要綜合考慮來(lái)選取δmax/δmin的值。本次設(shè)計(jì)中采用不均勻氣隙前空載氣隙波形正弦性畸變率為37.64%，采用非均勻氣隙后在δmax/δmin等于2附近時(shí)空載氣隙磁密波形正弦性畸變率為22.76%，減小了39.5%。

表2 不同偏心氣隙電機(jī)性能對(duì)比Tab.2 Performance comparison of different air gap eccentricities

圖5 不同δmax/δmin時(shí)氣隙磁密基波幅值和反電動(dòng)勢(shì)Fig.5 Amplitude of air gap flux density and counter electromotive force on different δmax/δmin

4 轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度分析與計(jì)算研究

在電機(jī)的設(shè)計(jì)中，為使電機(jī)能安全運(yùn)行于性能指標(biāo)所要求的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，應(yīng)該校核計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)子超速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在離心力的作用下不發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形和破壞［5］。

塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變圖如圖6所示，從O點(diǎn)到a點(diǎn)的彈性階段，材料的形變與所加的應(yīng)力呈線性關(guān)系，超過(guò)a點(diǎn)之后材料就會(huì)呈微彎狀，在ab段內(nèi)力卸載之后形變能完全恢復(fù)，b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σe為彈性極限，超過(guò)σe就會(huì)出現(xiàn)塑性形變，σe是材料產(chǎn)生彈性變形的最大應(yīng)力［6］。

本電機(jī)采用的硅鋼片為DW270-35，這款硅鋼片的機(jī)械性能見(jiàn)表3。

圖6 塑性材料應(yīng)力曲線圖Fig.6 Stress curve of plastic material

表3 硅鋼片力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of silicon steel sheet

4.1 均勻氣隙下轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度有限元分析

圖7為轉(zhuǎn)子1/6受力模型，由圖中可以看出，“一”型IPM轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)子離心力分布載荷力臂很長(zhǎng)，大彎矩造成隔磁磁橋處的大應(yīng)力和相鄰隔磁磁橋的中間位置處的大變形，切應(yīng)力與形變隨轉(zhuǎn)速的增加而迅速增加。

圖7 轉(zhuǎn)子1/6模型受力分析Fig.7 1/6 force analysis of rotor

圖8為磁橋?qū)挾?.8～1.8mm時(shí)轉(zhuǎn)子磁橋處應(yīng)力分布圖;表4為不同磁橋?qū)挾葢?yīng)力、形變量參數(shù)對(duì)比。通過(guò)圖8可以看出，轉(zhuǎn)子應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的磁橋部分，這說(shuō)明磁橋是轉(zhuǎn)子應(yīng)力最大的地方，也是最薄弱的地方。磁橋的寬度要同時(shí)考慮到磁場(chǎng)和機(jī)械應(yīng)力要求。此時(shí)磁橋處的最大應(yīng)力為183.98N·m，安全系數(shù)為2.24。

4.2 非均勻氣隙下轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度有限元分析

圖9為經(jīng)過(guò)氣隙磁密優(yōu)化后的電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖10為優(yōu)化后磁橋?qū)挾?.8～1.8mm時(shí)轉(zhuǎn)子磁橋處應(yīng)力分布圖;表5為不同磁橋?qū)挾葢?yīng)力、形變量參數(shù)對(duì)比。

圖8 不同磁橋?qū)挾葢?yīng)力分布Fig.8 Distribution of stress on different magnetic bridge widths

表4 不同磁橋?qū)挾认聭?yīng)力、形變參數(shù)對(duì)比Tab.4 Stress and deformation parameters compared under different magnetic bridge widths

圖9 非均勻氣隙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.9 Non-uniform air-gap rotor structure

圖10 優(yōu)化后不同磁橋?qū)挾认麓艠蛱帒?yīng)力分布Fig.10 Optimized stress distribution of magnetic bridge under different magnetic bridge widths

從圖10可以看出，在將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行非均勻氣隙優(yōu)化后，電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力在4000r/min時(shí)表面分布與優(yōu)化之前差別很大。由表5可以看出，磁橋?qū)挾葹?.8～1.8mm時(shí)，磁橋處最大應(yīng)力由285.36 N·m減小至132.50N·m。

表5 優(yōu)化后不同磁橋?qū)挾认聭?yīng)力、形變參數(shù)對(duì)比Tab.5 Optimized stress and deformation parameters compared under different magnetic bridge widths

4.3 兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

由表4和表5兩種氣隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)比可以看出，轉(zhuǎn)子外圓經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，轉(zhuǎn)子上受到的應(yīng)力、形變均有所下降，電機(jī)的安全系數(shù)也得到了提高。原因歸結(jié)為以下幾點(diǎn):①電機(jī)的轉(zhuǎn)子受到離心力、電磁力等作用，經(jīng)過(guò)非均勻氣隙優(yōu)化過(guò)后，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量下降，而離心力與質(zhì)量成正比，因此電機(jī)轉(zhuǎn)子所受的離心力降低;②氣隙經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，轉(zhuǎn)子磁橋處發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，均勻氣隙與非均勻氣隙之間角度相差了4°，因此磁橋處受到扭轉(zhuǎn)力有一部分轉(zhuǎn)變成為了轉(zhuǎn)子的拉應(yīng)力，使得磁橋處受到應(yīng)力減小，形變量也隨之降低。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子隔磁磁橋?qū)挾冗M(jìn)行了研究，并利用有限元軟件Ansoft對(duì)0.8～1.8mm不同磁橋?qū)挾葧r(shí)電機(jī)的性能進(jìn)行仿真計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出在保證其余參數(shù)不變的前提下，隨著磁橋?qū)挾萣的增加，電機(jī)的漏磁因數(shù)由1.234增加至1.355，而氣隙磁密波形畸變率變化不大。

(2)利用非均勻氣隙改善氣隙磁場(chǎng)波形，并且利用有限元軟件分析了偏心距為2.75～12.15mm時(shí)電機(jī)的性能，得出偏心距與氣隙磁場(chǎng)波形畸變率、氣隙磁密基波幅值和反電動(dòng)勢(shì)關(guān)系曲線，得出了最優(yōu)偏心距為12.15mm，此時(shí)氣隙磁密畸變率為22.76%，比未優(yōu)化前減小了39.5%。

(3)對(duì)兩種氣隙結(jié)構(gòu)下隔磁磁橋?qū)挾葹?.8～1.8mm時(shí)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)械強(qiáng)度分析計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。得出了磁橋?qū)挾扰c應(yīng)力、形變關(guān)系曲線。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前轉(zhuǎn)子上應(yīng)力最大值為235.32N·m，最小值為138.89N·m;形變量最大為0.0486mm，最小值為0.0357mm;優(yōu)化后轉(zhuǎn)子上應(yīng)力最大值為209.24N·m，最小值為132.5N·m;形變量的最大值與最小值也均有所減小，安全系數(shù)得到了提升。

［1］喻志強(qiáng)，于洋，林子良，等 (Yu Zhiqiang，Yu Yang，Lin Ziliang，et al.).國(guó)內(nèi)螺桿壓縮機(jī)節(jié)能發(fā)展方向(The direction of development of domestic energy saving screw compressors)［J］.通用機(jī)械 (General Machinery)，2013，(2):14-17.

［2］李毅 (Li Yi).高能效空調(diào)壓縮機(jī)用電機(jī)開(kāi)發(fā)淺析(Analysis on motor development for high EER air-conditioning compressor) ［A］.2010年國(guó)際制冷技術(shù)交流會(huì) (2010 International Refrigeration Technology Exchange Meeting)［C］.珠海 (Zhuhai)，2010.86-88.

［3］吳延忠，郭振宏，唐任遠(yuǎn) (Wu Yanzhong，Guo Zhenhong，Tang Renyuan).稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)隔磁磁橋的設(shè)計(jì)研究 (Design of magnetic bridge for rare earth permanent magnet synchronous motor) ［J］.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) (Journal of Shenyang University of Technology)，1997，19(6):34-37.

［4］徐英雷，李群湛，王濤 (Xu Yinglei，Li Qunzhan，Wang Tao).永磁同步電機(jī)空載氣隙磁密波形優(yōu)化(The optimization on un-load air gap flux density waveform for permanent magnet synchronous) ［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào) (Journal of Southwest Jiaotong University)，2009，44(6):4-8.

［5］Engstrom J.Design of a slotless PM-motor for a screw compressor drive［A］.9th International Conference on Electrical Machines and Drives［C］.Stockholm，Sweden，1999.154-158.

［6］比爾格爾 (АИБиргер).機(jī)械零件強(qiáng)度計(jì)算手冊(cè)(The calculation manual of mechanical parts strength)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社 (Beijing:China Machine Press)，1987.

Research of frequency conversion screw compressor on permanent motor rotor structure

CHEN Li-xiang，CHU Shuai-jun
(National Engineering Research Center for REPM Electrical Machine Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

Permanent magnet frequency screw compressor is the future development trend of the screw compressor.In this paper，a 45kW/4000rpm compressor with permanent magnet motor rotor structure is studied.It is mainly divided into the following several aspects:first，using finite element method to analyze the magnetic bridge width affect the performance of motor;second，non-uniform air-gap method is used to optimize the rotor structure and to analyze the effect of the non-uniform air-gap on the performance of motor;and third，using ANSYS finite element software to calculate the mechanical strength of the rotor structure and to verify the security of the motor.

screw compressor;magnetic bridge width;permanent magnet motor;mechanical strength calculation

TM351

:A

:1003-3076(2015)07-0022-05

2014-04-21

陳麗香(1973-)，女，遼寧籍，高級(jí)工程師，碩士，主要從事永磁電機(jī)研究和開(kāi)發(fā);褚?guī)浘?1988-)，男，貴州籍，碩士研究生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制。