空壓機電機性能與損耗數值計算研究

摘要：為了提高電機性能，本文對一款功率為10kW，轉速為100krpm的空氣壓縮機的永磁電機進行了設計和分析。針對電機的設計指標，選擇電機材料并計算出電機的性能和尺寸參數。對轉速與電流、效率以及力矩的性能曲線來分析所選擇的電機設計參數，同時利用有限元分析電機的定轉子損耗。最后通過分析轉子護套材料、以及轉子與護套間過盈量的應力，分析過盈量范圍對電機安全系數的影響。研究結果表明，采用水循環的定子，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備，其電機有感應電機、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，轉速為15000rpm，用于壓縮機的高速永磁電機在石化行業的應用。該電機定子采用低損耗硅鋼片，轉子軸承采用主動磁力軸承和滾動軸承，并采用轉子動力學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電機進行了電磁和機械設計，并對3種不同類型的電機（開關磁阻電機，永磁同步電機，感應電機）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級離心壓縮機的設計和分析。用理論分析方法對高速電機的結構設計準則和功率損耗進行分析，并用有限元法對結果進行了驗證。

針對這款額定功率功率為10kW，額定轉速為100krpm的空氣壓縮機，本文對它所適用的電機進行設計和分析。首先應該選擇電機材料并計算出性能參數和結構尺寸參數，對轉速與電流、效率以及力矩的性能曲線來分析所選擇的電機設計參數，同時利用有限元分析電機的定轉子損耗。最后通過分析轉子護套材料、以及轉子與護套間過盈量的應力，來達到減小電機內部損耗，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。主要是給電機產生旋轉磁場。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，疊裝系數為92%。

1.2 電機結構設計

定子繞組結構采用24槽結構，繞組連接方式為雙層短距星形連接，每相匝數為24。為了減小肌膚效應的影響，每匝采用多股并繞。而轉子采用兩極結構，環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下不受離心力破壞，環形永磁體外部設置保護套，保護套與環形永磁體間采用過盈配合。

通過對設計參數的選取與計算，滿足上述條件的電機參數如表1所示。

1.3 電機數值計算模型

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

2 ?結果與討論

2.1 電機性能分析

通過已有的思路設計出的模型，接下來我們需要進行轉速與電流、效率、力矩的性能分析，驗證其是否符合設計需求和安全要求。如圖2所示，由轉速與電流，轉速與效率，轉速與力矩關系曲線圖可知轉速達到100000rpm時，電流與力矩基本符合設計參數;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計需求的。

2.2 額定狀態下運行結果分析

本次模擬采用的具體工況為電壓250V，轉速99500rpm，對得到此工況額定狀態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下運行的力矩均值為0.98N.m，由于電機極數少，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%，考慮到轉子轉動慣量較大，力矩波動的周期較短，其對轉子轉速產生的影響可以忽略不計。從電流曲線中看出額定狀態下的電流均值為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子損耗，具體實驗方案分析在266V，100krpm時額定運行狀態的定子損耗和250V，99500rpm時額定運行狀態的轉子損耗。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合部位，這是由于這個位置的磁密大引起的;定子的損耗數值比轉子的損耗數值大。

3 ?結論

本文對功率10kW，轉速100krpm的空氣壓縮機的永磁電機進行了設計和分析。選擇了電機材料并計算電機的性能和尺寸參數。利用有限元分析電機的定轉子損耗。最后分析了轉子護套材料、以及轉子與護套間過盈量的應力。結果表明，采用水循環的定子，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.

[4]王鳳翔.高速電機的設計特點及相關技術研究[J].沈陽工業大學學報，2006（03）：258-264.

[5]高義冬，馬哲樹.用于空壓機的高速電機的設計和分析[J].電子設計工程，2014，22（15）：122-125.

[6]徐云龍.高速永磁電機損耗計算與熱分析[D].沈陽工業大學，2009.

[7]于濤.高速永磁發電機定子結構設計及其損耗計算[D].沈陽工業大學，2006.

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