超高效永磁同步电机，让螺杆压缩机越来越任性

 1、引言

  由于世界经济的迅速发展，向大气排放的有害物质越来越严重，不仅造成城市严重污染，引起人类健康的严重危害，而且破坏了大气环境和生态系统[1]。因此，环保与节能已经成为世界发展的焦点[2,3]。压缩机技术作为20世纪对人类社会影响最大的工程技术成就之一[4]，成为石油、冶金、各类机械装备和生产加工等必不可少的气源提供设备。21世纪以来，节能与环保已经成为各行各业的发展的主题，螺杆压缩机技术的发展正是围绕该主题展开的。螺杆压缩机作为气源系统的重要组成部分，它的发展与应用直接影响到各行业气动力的发展及生产技术进步。

  螺杆压缩机一般由电机、压缩机主机（机头）、油分、冷却器、排水装置、空滤、油滤、单向阀、进气阀、螺旋阀、控制管路、回油管路、放空阀、安全阀等小机械件组成。通常我们所说的螺杆压缩机即指双螺杆压缩机，在压缩机的主机中平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子，通常把节圆外具有凸齿的转子（从横截面看），称为阳转子或阳螺杆；把节圆内具有凹齿的转子（从横截面看），称为阴转子或阴螺杆。一般阳转子作为主动转子，由阳转子带动阴转子转动。转子上的球轴承使转子实现轴向定位，并承受压缩机中的轴向力。转子两端的圆锥滚子推力轴承使转子实现径向定位，并承受压缩机中的径向力和轴向力。在压缩机主机两端分别开设一定形状和大小的孔口，一个供吸气用的叫吸气口；另一个供排气用的叫排气口。螺杆压缩机的工作循环可分为吸气过程、压缩过程和排气过程。

  随着国家对环境碳排放的要求越来越重视，推出节能产品惠民工程，并正在出台众多工业用电的方案，以鼓励企业采用高效节能的产品，淘汰原来在用的或正要采用的高耗能产品。空气动力因其安全可靠在企业被广泛应用，企业对螺杆压缩机的要求越来越高。具有自动恒压变量的变频螺杆压缩机越来越受到企业的喜爱。另外，其具有高效、节能等特点，相对同等级定速定量的空压机可省电30％以上，节能效果显著。因此，变频螺杆压缩机具有良好的应用前景。在变频螺杆空压机上使用的变频压缩机，前些年主要使用异步电机。随着企业对节能要求的不断提高，逐渐地开始使用永磁同步电机。永磁同步电机因其高效节能的显著特点[5,6]，逐渐受到业界的普遍关注。近十多年来，许多研究者对永磁同步电机的设计方法进行了研究[7-10]。文献[7]分析了内置式永磁同步电机的等效电路，[8]提出了一种内置式永磁同步电机的工程设计方法，[9]对用于液压泵的表面式永磁同步电机系统进行了分析，所研究样机的功率为2.2kW， [10]设计了一款压缩机用永磁同步电机，电机定子采用了集中绕组型式，电机的输出功率大约在400W左右。

  本文则通过对螺杆压缩机实际工况的分析，对螺杆压缩机专用超高效永磁同步电机的关键技术进行了研究，提出一整套系列电机的设计思路，完成了系列电机的研发。

  2、总体设计原则

  作为一款工业用品，首先将安全可靠放在最最重要的位置。其次，才考虑其高效节能的要求。具体说，设计原则主要有：

  1）安全可靠；

  2）外观漂亮；

  3）效率符合GB30253《永磁同步电动机能效限定值及能效等级》中的1级能效标准；

  3、结构设计

  1）机座设计

  为了美观，也为了减轻电机的重量，改善电机的散热条件，电机机座采用型铝拉伸而成。

  2）电机轴承

  根据与螺杆压缩机配套的异步变频调速电机使用的质量反馈，轴承损毁是常见的质量问题。为了保证轴承的正常使用，采用进口的某知名品牌轴承，且和相应功率的异步变频调速电机相比，轴承增大了1个档次。

  3）转子磁钢结构。

  从运行的可靠性，以及电机的性能综合考虑，采用内置式无阻尼绕组的结构形式。考虑到企业生产的通用性和降低铜损耗的目的，综合对比，最终选择6极为基本极数，基准频率按照电机的转速匹配。图1为转子结构示意图。

 4）铁心材料的选用及电机气隙的形成

  为降低铁心的涡流损耗和磁滞损耗，选用了高质量的冷轧硅钢片，硅钢片厚度为0.35mm。为了进一步降低铁耗和谐波损耗，提高电机的效率，转子外圆采用冲压到最终尺寸的方案，也即气隙由冲压而成，而非金加工形成。

  5）电机使用系数的确定

  相同规格型号的压缩机，相同转速下，当排气压力不同时，轴功率随之变化。考虑到压缩机的实际使用情况，所设计产品的使用系数确定为1.20倍。也即便在120%额定功率的负载下，电机依然可以正常使用。

  4、电磁方案设计

  设计方案的确定结合应用了场路法。根据永磁同步电机的设计原理，先应用磁路法进行电磁方案设计，再使用有限元法对所设计方案进行验证。

  进行电磁方案设计时，考虑到转子采用无阻尼绕组的方案，可以充分利用转子空间放置足够的永久磁钢，和同功率的异步变频调速电机相比，机座号缩小3-5个档次。比如，132kW超高效永磁同步电机，机座号为180，而异步变频电机，该功率的电机的机座号为315，整整相差了5个等级。本文完成了3000rpm功率从7.5kW到250kW系列超高效永磁同步电机的研发。

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