TRIZ理論在磁懸浮變頻系統(tǒng)散熱中的研究與應(yīng)用

劉 玲

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

磁懸浮壓縮機(jī)和大功率變頻器是磁懸浮變頻系統(tǒng)的兩大核心部件。磁懸浮壓縮機(jī)內(nèi)部電機(jī)通過電磁力將轉(zhuǎn)子懸浮在磁場中，不需要潤滑油系統(tǒng)，具有無油、無磨損、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點。將磁懸浮和變頻技術(shù)應(yīng)用于離心冷水機(jī)組，能大幅降低機(jī)械損失，顯著提高系統(tǒng)能效，對節(jié)能減排、低碳環(huán)保有重要的現(xiàn)實意義。但由于功率密度大，散熱困難，變頻器內(nèi)部元器件和壓縮機(jī)內(nèi)電機(jī)發(fā)熱量大，過高的溫升會導(dǎo)致變頻器內(nèi)部元器件失效和電機(jī)內(nèi)永磁體退磁，極大地影響磁懸浮變頻系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[1]。因此，降低高速永磁電機(jī)和大功率變頻器內(nèi)部溫升，對系統(tǒng)的散熱及通風(fēng)進(jìn)行合理的計算和設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效散熱尤為重要。

TRIZ（拉丁文：Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，發(fā)明問題解決理論）是蘇聯(lián)根里其·阿奇舒勒與其他科學(xué)家們在研究、分析、整理全世界大量專利文獻(xiàn)和自然科學(xué)知識的基礎(chǔ)之上，建立的一整套系統(tǒng)實用的理論方法體系[2]。TRIZ發(fā)明問題解決理論的核心原理是將具體問題抽象為問題模型，可以指導(dǎo)人們創(chuàng)造性的解決實際科研生產(chǎn)中遇到的技術(shù)問題。TRIZ的解題思路一般是利用39個通用工程參數(shù)將實際問題轉(zhuǎn)化為一般性問題，通過40個發(fā)明原理、76個標(biāo)準(zhǔn)解等解題工具對實際問題進(jìn)行分析求解。

本文針對磁懸浮變頻系統(tǒng)溫度過高的問題，利用TRIZ理論中的問題分析工具對系統(tǒng)進(jìn)行了分析優(yōu)化，進(jìn)而對磁懸浮變頻系統(tǒng)的散熱方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高磁懸浮變頻系統(tǒng)的散熱性能。

1 問題描述

根據(jù)TRIZ理論，定義技術(shù)系統(tǒng)及其實現(xiàn)的功能，即：問題所在的技術(shù)系統(tǒng)為磁懸浮變頻系統(tǒng)，實現(xiàn)的主要功能是將低壓氣態(tài)制冷劑通過變頻器控制的壓縮機(jī)壓縮成高壓氣態(tài)制冷劑[3]。實現(xiàn)該功能的約束條件有：①保證磁懸浮壓縮機(jī)的正常運轉(zhuǎn)，②保證大功率變頻器的正常運轉(zhuǎn)。分析系統(tǒng)的工作原理，即：如圖1所示為應(yīng)用于制冷領(lǐng)域的磁懸浮變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 磁懸浮變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

磁懸浮變頻系統(tǒng)主要由圖1所示的大功率變頻器和磁懸浮壓縮機(jī)組成，其中大功率變頻器是將電網(wǎng)輸入的不可調(diào)的三相 交流電經(jīng)整流和逆變轉(zhuǎn)換成幅值和頻率可調(diào)的三相交流電，通過改變變頻器的輸出電流的大小控制磁懸浮壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流越大，功率越大，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速越高。

當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題有：隨著工業(yè)化進(jìn)展，磁懸浮變頻系統(tǒng)朝著高轉(zhuǎn)速、小型化的趨勢發(fā)展，大功率變頻器由于功率較大，內(nèi)部功率器件、電容及電抗器等電器元件發(fā)熱量較大，散熱空間有限，這些電器元件產(chǎn)生的大量熱量如果積聚在變頻器內(nèi)無法散出，功率器件、電容及電抗器等重要元器件會因長時間在高溫環(huán)境下工作而燒毀，造成嚴(yán)重的安全事故。磁懸浮變頻系統(tǒng)功率較大意味磁著懸浮壓縮機(jī)高速運轉(zhuǎn)時發(fā)熱量大，同時磁懸浮壓縮機(jī)無機(jī)械摩擦，高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的風(fēng)摩損耗較大，進(jìn)一步升高了壓縮機(jī)內(nèi)部溫度，加劇了磁懸浮壓縮機(jī)內(nèi)部件的損壞[4]。鑒于以上原因，如何在有限的體積內(nèi)優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，提高磁懸浮變頻系統(tǒng)的散熱效率，是當(dāng)前迫切需要解決的難題之一。

為了保證磁懸浮變頻系統(tǒng)的正常運行，運用TRIZ理論對大功率變頻器及磁懸浮壓縮機(jī)的散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，要求在不增加復(fù)雜的散熱系統(tǒng)、不增大系統(tǒng)體積的基礎(chǔ)上，盡可能使得各部件在合理的溫度下長時間工作。

TRIZ理論應(yīng)用流程如圖2所示，首先，描述磁懸浮變頻系統(tǒng)溫升過高的現(xiàn)象，然后，對系統(tǒng)進(jìn)行組件分析，建立系統(tǒng)的功能模型進(jìn)行功能分析得到功能缺陷，對變頻系統(tǒng)溫升高的初始缺陷進(jìn)行因果分析并找到關(guān)鍵缺陷，再利用TRIZ理論的解題工具，得到實際可行的解決方案，最后對方案進(jìn)行驗證。

2 問題分析

2.1 功能分析

功能分析旨在分析和建立系統(tǒng)的功能模型，即將抽象的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為具體的圖表，通過建立功能模型把系統(tǒng)的各個部件所執(zhí)行的功能表示出來，幫助設(shè)計人員更好地識別系統(tǒng)中一系列的功能缺陷，并對其進(jìn)行合理的創(chuàng)新設(shè)計。

對磁懸浮變頻系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，具體步驟：

1）確定磁懸浮變頻系統(tǒng)的元件、制品、超系統(tǒng)。磁懸浮變頻系統(tǒng)的主要功能是移動制冷劑，因此，制冷劑是系統(tǒng)的作用對象，也是制品。系統(tǒng)之外的高層次系統(tǒng)稱之為超系統(tǒng)，超系統(tǒng)可以作為工程系統(tǒng)的資源，也可以作為解決問題的工具?？諝鈱Υ艖腋∽冾l系統(tǒng)的散熱作用重大，且不能刪除或重新設(shè)計，因此該系統(tǒng)的超系統(tǒng)是空氣。實現(xiàn)系統(tǒng)功能的系統(tǒng)組件為電抗器、功率器件、電容、散熱器、風(fēng)機(jī)、變頻器柜體、電機(jī)、壓縮機(jī)殼體、葉輪[5]。

2）對元件、制品、超系統(tǒng)進(jìn)行作用分析。分析的功能缺陷主要包括有害作用和不足作用，有害作用是：①變頻器柜體阻擋空氣有害；②電抗器加熱電容有害；③功率器件加熱電容有害；④功率器件加熱電抗器有害。不足作用是：①變頻器柜體冷卻空氣、電抗器、電容、散熱器不足；②空氣冷卻散熱器不足；③散熱器冷卻功率器件不足；④功率器件控制電機(jī)不足；⑤制冷劑冷卻散熱器、壓縮機(jī)殼體不足；⑥壓縮機(jī)殼體冷卻電機(jī)不足；⑦風(fēng)機(jī)移動空氣不足。后續(xù)對系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計是針對有害和不足作用進(jìn)行的完善。

3）將作用連接各功能元件，繪制了磁懸浮變頻系統(tǒng)的功能模型，如圖3所示。圖3中，圓角矩形框表示制品，也可以叫做目標(biāo)；直角矩形框表示系統(tǒng)組件；六邊形表示超系統(tǒng)組件。黑色實線表示正常功能，紅色實線表示有害功能，虛線表示不足功能。

圖3 磁懸浮變頻系統(tǒng)的功能模型

圖4 裁剪掉電抗器得到的問題模型

2.2 功能裁剪

對經(jīng)過功能分析得出的功能缺陷進(jìn)一步分析，對系統(tǒng)中存在的問題運用裁剪來解決。通過裁剪，將問題功能所對應(yīng)的元件刪除，使得功能從已裁剪的組件轉(zhuǎn)移到其他系統(tǒng)組件中。裁剪對象優(yōu)先選擇具有以下特性的元件：①關(guān)鍵有害因素；②最低功能價值；③最有害功能；④最昂貴的元件。基于以上原則，通過實驗測試對各個元件進(jìn)行有害功能分析，確定系統(tǒng)中電抗器是有害功能最多的元件，進(jìn)而確定裁剪對象為電抗器，利用裁剪規(guī)則B對電抗器進(jìn)行裁剪，但裁剪后的模型失去了原來電抗器改變電流的功能，利用電容本身特性改變電流值能力不足，因此裁剪后得到的模型是問題模型。

2.3 功能導(dǎo)向搜索

功能導(dǎo)向搜索是充分利用現(xiàn)有的技術(shù)，借鑒其他科技領(lǐng)域中現(xiàn)有的解決方案，這種方法能快速、有效地解決產(chǎn)品設(shè)計中遇到的問題。針對上述裁剪過程中電容改變電流不足的問題，采用TRIZ中解決問題的工具——功能導(dǎo)向搜索來求解，解題步驟如下：

在仿真過程中,可以通過設(shè)置ITS[3:0]來確定積分時間,圖5、圖6所示圖形為CLK設(shè)置為10 MHz,積分時間設(shè)置為128個時鐘周期,即12.8 μs時仿真的主要信號的波形和局部細(xì)節(jié)展示。由于測試采用的是重復(fù)的電注入偏置電壓源,所以輸出電壓呈16個臺階狀上升,每行單元電路則對應(yīng)了8個16級階梯狀輸出,一幀圖像的全部讀出會產(chǎn)生 1 024 個階梯狀的輸出。

1）功能語言描述：電容改變電流不足；

2）一般化功能：改變電流；

3）確定領(lǐng)先領(lǐng)域：音響電源濾波；

4）具體解決方案：在變頻器前端配置有源濾波器解決改變電流不足的問題。

2.4 因果分析

因果分析是一種識別技術(shù)系統(tǒng)關(guān)鍵缺陷的分析方法，將系統(tǒng)中的缺陷通過因果關(guān)系網(wǎng)連接起來，找到系統(tǒng)中的關(guān)鍵缺陷是快速實現(xiàn)項目目標(biāo)的手段[6]。因果鏈的構(gòu)建分為以下幾個步驟：

1）找到系統(tǒng)的初始缺陷，初始缺陷往往是與課題目標(biāo)完全相反的一種缺陷，因此定位到本課題的初始缺陷是磁懸浮變頻系統(tǒng)發(fā)熱部件溫度高。

2）確定系統(tǒng)出現(xiàn)缺陷的原因，將多個原因用“and”或者“or”表示出來，用箭頭指向上一級缺陷。

3）找到系統(tǒng)的關(guān)鍵缺陷。從圖5可知，系統(tǒng)的關(guān)鍵缺陷是：①散熱器接觸面積過??；②散熱器面積過?。虎圯椛鋼Q熱量過少；④制冷劑質(zhì)量過少；⑤風(fēng)速過小；⑥變頻器進(jìn)風(fēng)口孔徑過??；⑦空氣溫度過高；⑧風(fēng)量過小；⑨制冷劑溫度過高；⑩流道面積過??；流道路徑過短。

圖5 磁懸浮變頻系統(tǒng)發(fā)熱部件溫度高的因果鏈分析圖

圖6 物場模型

3 問題求解

3.1 物理矛盾

物理矛盾是技術(shù)難題中常見的一種矛盾，它是針對系統(tǒng)的某個參數(shù)，提出兩種不同的要求，該要求相互排斥且合理?，F(xiàn)代TRIZ理論將解決物理矛盾的分析原理概括為四種分離方法：空間分離、時間分離、條件分離和系統(tǒng)分離[7]。為解決磁懸浮變頻系統(tǒng)部件溫升過高的問題，對關(guān)鍵缺陷提出改進(jìn)設(shè)計的需求：針對變頻器進(jìn)風(fēng)口孔徑過小的關(guān)鍵問題，既要求變頻器進(jìn)風(fēng)口孔徑大，利于散熱；又要求變頻器進(jìn)風(fēng)口孔徑小，防止雨水。該物理矛盾可運用條件分離來求解，通過查分離方法與發(fā)明原理的對應(yīng)表可以在條件分離所對應(yīng)的14個發(fā)明原理中，依據(jù)No.17（空間維數(shù)變化）發(fā)明原理，得到解決方案：將變頻器柜體的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計為帶凸模的百葉窗式進(jìn)風(fēng)口。

3.2 物質(zhì)-場模型

在TRIZ理論中，物質(zhì)的意思十分廣泛，可以是產(chǎn)品，也可以是技術(shù)系統(tǒng)，“場”包括電場、磁場、引力場、溫度場、機(jī)械場、聲場等。完整的系統(tǒng)模型具備三要素：兩種物質(zhì)和一個場。從磁懸浮變頻系統(tǒng)的功能模型可知，功率器件加熱電容和電抗器有害，為解決其發(fā)熱量過大的問題，通常是由安裝在功率器件表面的液冷散熱器將熱量傳遞給流體介質(zhì)，再由流體介質(zhì)將熱量傳遞到系統(tǒng)之外。但由于在大功率設(shè)備中功率器件損耗過大，在有限的體積內(nèi)散熱困難，流體介質(zhì)（空氣或液體）對散熱器的換熱能力不足，因此需要增強系統(tǒng)內(nèi)冷卻效果。根據(jù)效應(yīng)不足的完整模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解法第二級中的標(biāo)準(zhǔn)解——雙物場模型：現(xiàn)有系統(tǒng)的有用作用F1（熱場）不足，需要進(jìn)行改進(jìn)，可以加入第二個場F2，來增強場F1的作用，得到的解決方案：增加冷源提供新的熱場來增強空氣對散熱器的換熱能力[8]。

3.3 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則

3.3.1 流進(jìn)化法則

“流”是現(xiàn)代TRIZ中發(fā)展出來的新概念，流分析是一種識別技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)、能量（場）和信息流動的缺陷的分析方法。散熱設(shè)計的目的是為系統(tǒng)內(nèi)發(fā)熱部件與大氣環(huán)境間設(shè)計一條熱阻盡可能小的通道，使得部件的熱量能更快更容易地散發(fā)出去，保證部件溫升在允許的范圍之內(nèi)。傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、對流換熱和輻射換熱，其中，強迫風(fēng)冷換熱和液冷換熱均屬于對流換熱，是磁懸浮變頻系統(tǒng)主要的散熱手段。

利用流分析法則，針對制冷劑冷卻散熱器、電機(jī)不足的問題，得到制冷劑的冷卻作用不足。不足流主要分為導(dǎo)通性有缺陷的流和利用率有缺陷的流。制冷劑在散熱器流道內(nèi)和壓縮機(jī)殼體的流道內(nèi)的流動不存在阻力過高、停滯區(qū)、密度低等缺點。但存在延遲區(qū)，即制冷劑流道中間流速顯著高于貼近壁面的制冷劑流速，因此，通過分析得到流缺陷是制冷劑利用率不高。提高流的利用率有9個措施，如表1所示。

表1 提高缺陷流的利用率的9個改進(jìn)措施

為提高近壁面的制冷劑流速，制冷劑的流向重新分配，確定重新分配流的解決方向，結(jié)合小人法，得到的方案是：將靠近發(fā)熱部件的流道中間增加擋板，將原本一條流道分成多條流道，使得制冷劑均勻的分布在流道內(nèi)，破壞流道壁面的層流區(qū)域，增大制冷劑的擾動性，避免流速不均的現(xiàn)象。

3.3.2 協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則

變頻系統(tǒng)內(nèi)功率器件的散熱至關(guān)重要，對散熱器的選擇和設(shè)計是功率器件散熱設(shè)計中極其重要的一環(huán)。市面上，散熱器多種多樣，有翅片式散熱器、液冷散熱器等。液冷散熱器具有體積小、比熱容大的優(yōu)點，液冷散熱器內(nèi)部流道設(shè)計是否合理是散熱能力好壞的關(guān)鍵因素。從功能模型可知，液冷散熱器對功率器件冷卻不足，對液冷散熱器設(shè)計的重點應(yīng)落在內(nèi)部流道的設(shè)計上。

目前常用的液冷散熱器是鉆孔式散熱器，即將散熱器內(nèi)部鉆孔為空心的流道。通過經(jīng)典TRIZ進(jìn)化法則，預(yù)測產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展方向。為提高散熱器冷卻功率模塊的能力，根據(jù)協(xié)調(diào)性進(jìn)化法則中的形狀協(xié)調(diào)進(jìn)化路線，確定物體內(nèi)部中空向毛細(xì)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，將鉆孔式散熱器設(shè)計成流道毛細(xì)結(jié)構(gòu)散熱器，具體的解決方案是：將簡單的鉆孔式流道改成毛細(xì)結(jié)構(gòu)流道，即流道板表面有凹槽，再將蓋板與流道板釬焊壓接而成。

4 仿真分析

采用ANSYS Icepak的液冷板熱模型來仿真不同流道的散熱器通入制冷劑后的散熱效果，仿真模型的流體材料設(shè)置為水，散熱器的進(jìn)口溫度選擇默認(rèn)的環(huán)境溫度，水流速度為1 m/s。在散熱器的出口創(chuàng)建溫度監(jiān)控點。選擇矩形移動熱源模型，功率為3 000 W。通過對模型對象進(jìn)行后處理，得到圖7所示的溫度云圖，可以看出：多流道散熱器相較于單流道散熱器對功率器件散熱更均勻。

圖7 變頻系統(tǒng)的熱仿真圖

5 實驗驗證

如圖8所示，通過離心壓縮機(jī)測試臺對150RT磁懸浮變頻系統(tǒng)進(jìn)行性能工況測試，100 %負(fù)荷下壓縮機(jī)運行轉(zhuǎn)速為30 000 rpm，系統(tǒng)運行2 h，可達(dá)到設(shè)定工況。變頻器采用制冷劑冷卻方式，壓縮機(jī)殼體內(nèi)壁增加制冷劑流道從而冷卻電機(jī)，通過外接空調(diào)外機(jī)實現(xiàn)變頻系統(tǒng)的制冷劑循環(huán)。給變頻器內(nèi)功率器件散熱的液冷散熱器采用兩種方案，改進(jìn)前方案為單流道散熱器，改進(jìn)后方案為多流道散熱器。當(dāng)工況穩(wěn)定時，散熱器的進(jìn)口溫度為27.2 ℃，其它部件的溫度見表2所示。

圖8 變頻系統(tǒng)性能工況測試實驗現(xiàn)場

從表2可以看出，變頻器內(nèi)的發(fā)熱部件的溫度較改進(jìn)前明顯下降，電機(jī)的溫度也由改進(jìn)前的47 ℃降為37.4 ℃，散熱器出口溫度由改進(jìn)前的40 ℃降為35.3 ℃，降幅均在10 %以上。從而進(jìn)一步證明，通過對變頻系統(tǒng)散熱方案的優(yōu)化，散熱性能得到提高。

6 結(jié)論

本文運用TRIZ理論對磁懸浮變頻系統(tǒng)溫升過高的問題進(jìn)行研究，利用功能分析、組件分析、裁剪、因果分析定位溫升過高的關(guān)鍵原因。介紹了物理矛盾、物場模型、進(jìn)化法則、功能導(dǎo)向搜索、進(jìn)化法則等TRIZ工具的解題過程，得到了切實有效的創(chuàng)新方案，將這些方案應(yīng)用于系統(tǒng)中，極大的降低了磁懸浮變頻系統(tǒng)中的溫度，降幅可達(dá)10 %以上，提高了系統(tǒng)的散熱性能。