離心冷水機組用直驅永磁電機關鍵技術研究

張 宙，宋 萍，李 薇

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著永磁電機技術的發展日趨成熟，永磁電機在超高速直驅應用領域的優勢也越來越明顯[1]。其中一個重要的應用方向是作為商用中央空調離心冷水機組的驅動部件。

在民用場合，國際壓縮機巨頭丹弗斯已經在商用高端壓縮機領域成功實現超高速永磁電機直驅的產業化，相較而言，國內在實際商業應用方面，仍有不小的差距。

在軍用場合，主要作為陸上、水面艦船離心冷水機組等冷卻系統的驅動部件應用。國外最新列裝的艦船冷卻系統已經實現超高速永磁電機直接驅動離心式壓縮機，而國內仍處于2極異步電機通過齒輪箱升速驅動離心式壓縮機的階段，不僅浪費艦船空間，同時也增加了對船體振動噪聲的影響，特別對大型艦船的影響更為明顯。

1 磁極形式對比分析

1.1 表貼式磁極方案

磁極形式設計是高速永磁電機設計的關鍵，永磁材料能承受較大的壓應力(約1 000 MPa)，但不能承受大的拉應力，其抗拉強度低于抗壓強度的十分之一(約80 MPa)。如果沒有保護措施，永磁體無法承受轉子高速旋轉時產生的巨大離心力[2]。

目前，保護表貼式永磁體的措施有兩種：一種保護方法是采用碳纖維綁扎永磁體；另外一種是在永磁體外面加一高強度非導磁金屬保護套。與采用非導金屬保護套相比，碳纖維綁扎帶的厚度要小，而且不產生高頻渦流損耗[3]。然而目前滿足該樣機碳纖維綁扎的大預緊拉力的機器國內無法生產，進口亦被限制，人工綁扎的工藝穩定性無法保證，并且需要大量的試驗驗證工作，因此表貼式磁極采用外加高強度非導磁金屬保護套的結構，圖1給出了表貼式磁極結構示意圖。非導磁金屬保護套材料為鈦合金TC4，屈服強度高達860～1 000 MPa，永磁體采用釤鈷材料，最高工作溫度可以達到350 ℃。

圖1 表貼式磁極結構示意圖

由于永磁體能夠承受很大的壓應力而不能承受較大的拉應力，永磁體和保護套之間可以采用大過盈配合，使永磁體靜態承受一定的預壓應力。表貼式磁極方案材料特性列表如表1所示。

表1 表貼式磁極方案材料特性列表

通過轉子靜止和轉子高速旋轉時的穩態應力分析，校驗護套是否能夠承受所允許的應力，保證高速電機的安全運行，并且根據摩擦力傳遞轉矩的概念，考慮過載及工程余量后，在最惡劣情況下仍需要永磁體和磁軛存在一定的壓應力。由于鈦合金護套的熱膨脹系數略低于永磁體，所以超速旋轉時受力最惡劣的情況為室溫下的超速旋轉。經過有限元分析，可以得到護套單邊過盈量至少要達到0.40 mm，考慮到各種公差配合以及熱套工藝間隙，不能保證熱套溫度控制在350 ℃左右，熱套過程中有使永磁體發生不可逆退磁的風險。

從圖2可以看出，超速10 250 r/min時(20 ℃)護套承受的最大等效應力約為490 MPa。

圖2 超速10 250 r/min時表貼式磁極等效應力分布圖

1.2 內置式磁極方案

內置式永磁同步電機轉子中的永磁體受隔磁橋保護，結構相對牢固。內置式永磁同步電動機需要較小尺寸的隔磁橋使其易于達到深度飽和以減小漏磁，提高電機電磁性能。但另一方面，隔磁橋厚度也影響轉子機械強度，通常隔磁橋位于轉子外緣，電機高速運行時產生的離心力會引起轉子形變。因此需要增大隔磁橋厚度使轉子高速運行時不至于發生嚴重的塑性變形。

內置式磁極方案中還需要著重考慮高速旋轉機械應力的分布問題，通過永磁體的擺放和隔磁橋搭配的關系，降低最大應力與平均應力的比值。比較常見的是將原本的整塊永磁體分成數段小塊的永磁體，之間用較窄的隔磁橋進行分隔。每極隔磁橋總寬度一樣的情況下，永磁體和隔磁橋分布布置的最大應力會遠低于集中布置的情況。

內置式磁極方案材料特性列表如下表2所示。

表2 內置式磁極方案材料特性列表

圖3分別給出了兩種內置式磁極結構的示意圖，圖4則分別給出了超速10 250 r/min時的磁極應力分布情況。

從圖4可以看出，超速10 250 r/min時內置磁極結構方案一的最大等效應力約為672 MPa；方案二的最大等效應力約為535 MPa。轉子磁極疊片采用武鋼的磁軛熱軋鋼板WDER700(屈服≥700 MPa)，厚度約為3 mm，每片鋼板要刷絕緣漆。

可以看出，方案二由于磁鋼的倒“U”形布置，隔磁橋徑向上方的極靴面積較小，因此隔磁橋所承受的附加極靴離心力較小。同時能更有效的增加磁鋼布置空間，因此最終磁極形式采用內置式磁極結構方案二。內置式方案二磁極疊片和轉軸間單邊過盈量為0.04～0.08 mm，考慮到各種公差配合以及熱套工藝間隙，能保證熱套溫度控制在250 ℃左右，能確保熱套過程中磁極疊片的片間絕緣不被破壞。

圖3 內置式磁極結構示意圖

圖4 超速10 250 r/min時內置式磁極等效應力分布圖

2 電磁場分析

圖5和圖6分別給出了永磁電動機在空載和額定負載工況下的磁場分布情況，可以看出電機磁密分布合理，無局部過飽和點。

3 轉子動力學分析

轉子動力學分析是超高速永磁電機研制的關鍵核心技術。試驗樣機機組采用同軸驅動的一臺630 kW永磁電動機和620 kW發電機組成。兩臺電機參數完全一致，用發電機模擬壓縮機對轉子進行動力學測試，轉子臨界轉速分析結果列于表3。

圖5 空載磁場分布示意圖

圖6 負載磁場分布示意圖

表3 轉子臨界轉速 r/min

轉子軸系的Campbell圖如圖7所示，圖8給出了轉子軸系的第1階和第2階振型。

圖7 轉子軸系的Campbell圖

可見，轉子將穩定運行在1階臨界轉速以上，2階臨界轉速以下，與長期穩定運行轉速的差距均在20%以上。

圖8 轉子軸系振型示意圖

4 樣機試制

根據文中前面章節的研究內容，最終完成了630 kW，8 200 r/min離心冷水機組直驅永磁電機試驗樣機機組的研制工作。

試驗樣機機組軸系順利完成了1.25倍10 250 r/min的超速試驗，后續將開展其他驗證工作。

5 結論

以一臺630 kW，額定轉速8 200 r/min的超高速永磁電機為例，針對其中的幾個關鍵技術點進行研究，包括磁極形式的對比分析、電磁場分析和轉子動力學分析等。通過對比、分析，最終采用內置式磁極形式，并進行了電磁場和轉子動力學的優化。并通過同軸的發電機模擬壓縮機研制試驗樣機機組，其軸系順利完成了1.25倍10 250 r/min的超速試驗，后續將開展其他驗證工作。