TRIZ理論在磁懸浮變頻系統散熱中的研究與應用

劉 玲

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

磁懸浮壓縮機和大功率變頻器是磁懸浮變頻系統的兩大核心部件。磁懸浮壓縮機內部電機通過電磁力將轉子懸浮在磁場中，不需要潤滑油系統，具有無油、無磨損、轉速高等優點。將磁懸浮和變頻技術應用于離心冷水機組，能大幅降低機械損失，顯著提高系統能效，對節能減排、低碳環保有重要的現實意義。但由于功率密度大，散熱困難，變頻器內部元器件和壓縮機內電機發熱量大，過高的溫升會導致變頻器內部元器件失效和電機內永磁體退磁，極大地影響磁懸浮變頻系統運行的穩定性[1]。因此，降低高速永磁電機和大功率變頻器內部溫升，對系統的散熱及通風進行合理的計算和設計，實現系統的高效散熱尤為重要。

TRIZ（拉丁文：Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，發明問題解決理論）是蘇聯根里其·阿奇舒勒與其他科學家們在研究、分析、整理全世界大量專利文獻和自然科學知識的基礎之上，建立的一整套系統實用的理論方法體系[2]。TRIZ發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，可以指導人們創造性的解決實際科研生產中遇到的技術問題。TRIZ的解題思路一般是利用39個通用工程參數將實際問題轉化為一般性問題，通過40個發明原理、76個標準解等解題工具對實際問題進行分析求解。

本文針對磁懸浮變頻系統溫度過高的問題，利用TRIZ理論中的問題分析工具對系統進行了分析優化，進而對磁懸浮變頻系統的散熱方案進行優化設計，以提高磁懸浮變頻系統的散熱性能。

1 問題描述

根據TRIZ理論，定義技術系統及其實現的功能，即：問題所在的技術系統為磁懸浮變頻系統，實現的主要功能是將低壓氣態制冷劑通過變頻器控制的壓縮機壓縮成高壓氣態制冷劑[3]。實現該功能的約束條件有：①保證磁懸浮壓縮機的正常運轉，②保證大功率變頻器的正常運轉。分析系統的工作原理，即：如圖1所示為應用于制冷領域的磁懸浮變頻系統結構示意圖。

圖1 磁懸浮變頻系統結構示意圖

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

當前技術系統中出現的問題有：隨著工業化進展，磁懸浮變頻系統朝著高轉速、小型化的趨勢發展，大功率變頻器由于功率較大，內部功率器件、電容及電抗器等電器元件發熱量較大，散熱空間有限，這些電器元件產生的大量熱量如果積聚在變頻器內無法散出，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境下工作而燒毀，造成嚴重的安全事故。磁懸浮變頻系統功率較大意味磁著懸浮壓縮機高速運轉時發熱量大，同時磁懸浮壓縮機無機械摩擦，高轉速下產生的風摩損耗較大，進一步升高了壓縮機內部溫度，加劇了磁懸浮壓縮機內部件的損壞[4]。鑒于以上原因，如何在有限的體積內優化散熱結構，提高磁懸浮變頻系統的散熱效率，是當前迫切需要解決的難題之一。

為了保證磁懸浮變頻系統的正常運行，運用TRIZ理論對大功率變頻器及磁懸浮壓縮機的散熱系統進行優化，要求在不增加復雜的散熱系統、不增大系統體積的基礎上，盡可能使得各部件在合理的溫度下長時間工作。

TRIZ理論應用流程如圖2所示，首先，描述磁懸浮變頻系統溫升過高的現象，然后，對系統進行組件分析，建立系統的功能模型進行功能分析得到功能缺陷，對變頻系統溫升高的初始缺陷進行因果分析并找到關鍵缺陷，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的功能模型，即將抽象的系統轉化為具體的圖表，通過建立功能模型把系統的各個部件所執行的功能表示出來，幫助設計人員更好地識別系統中一系列的功能缺陷，并對其進行合理的創新設計。

對磁懸浮變頻系統進行功能分析，具體步驟：

1）確定磁懸浮變頻系統的元件、制品、超系統。磁懸浮變頻系統的主要功能是移動制冷劑，因此，制冷劑是系統的作用對象，也是制品。系統之外的高層次系統稱之為超系統，超系統可以作為工程系統的資源，也可以作為解決問題的工具。空氣對磁懸浮變頻系統的散熱作用重大，且不能刪除或重新設計，因此該系統的超系統是空氣。實現系統功能的系統組件為電抗器、功率器件、電容、散熱器、風機、變頻器柜體、電機、壓縮機殼體、葉輪[5]。

2）對元件、制品、超系統進行作用分析。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功率器件控制電機不足；⑤制冷劑冷卻散熱器、壓縮機殼體不足；⑥壓縮機殼體冷卻電機不足；⑦風機移動空氣不足。后續對系統的改進設計是針對有害和不足作用進行的完善。

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；直角矩形框表示系統組件；六邊形表示超系統組件。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

對經過功能分析得出的功能缺陷進一步分析，對系統中存在的問題運用裁剪來解決。通過裁剪，將問題功能所對應的元件刪除，使得功能從已裁剪的組件轉移到其他系統組件中。裁剪對象優先選擇具有以下特性的元件：①關鍵有害因素；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行有害功能分析，確定系統中電抗器是有害功能最多的元件，進而確定裁剪對象為電抗器，利用裁剪規則B對電抗器進行裁剪，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 功能導向搜索

功能導向搜索是充分利用現有的技術，借鑒其他科技領域中現有的解決方案，這種方法能快速、有效地解決產品設計中遇到的問題。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——功能導向搜索來求解，解題步驟如下：

在仿真過程中,可以通過設置ITS[3:0]來確定積分時間,圖5、圖6所示圖形為CLK設置為10 MHz,積分時間設置為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節展示。由于測試采用的是重復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了8個16級階梯狀輸出,一幀圖像的全部讀出會產生 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）確定領先領域：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系統關鍵缺陷的分析方法，將系統中的缺陷通過因果關系網連接起來，找到系統中的關鍵缺陷是快速實現項目目標的手段[6]。因果鏈的構建分為以下幾個步驟：

1）找到系統的初始缺陷，初始缺陷往往是與課題目標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發熱部件溫度高。

2）確定系統出現缺陷的原因，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）找到系統的關鍵缺陷。從圖5可知，系統的關鍵缺陷是：①散熱器接觸面積過小；②散熱器面積過小；③輻射換熱量過少；④制冷劑質量過少；⑤風速過小；⑥變頻器進風口孔徑過小；⑦空氣溫度過高；⑧風量過小；⑨制冷劑溫度過高；⑩流道面積過小；流道路徑過短。

圖5 磁懸浮變頻系統發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

物理矛盾是技術難題中常見的一種矛盾，它是針對系統的某個參數，提出兩種不同的要求，該要求相互排斥且合理。現代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、條件分離和系統分離[7]。為解決磁懸浮變頻系統部件溫升過高的問題，對關鍵缺陷提出改進設計的需求：針對變頻器進風口孔徑過小的關鍵問題，既要求變頻器進風口孔徑大，利于散熱；又要求變頻器進風口孔徑小，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明原理的對應表可以在條件分離所對應的14個發明原理中，依據No.17（空間維數變化）發明原理，得到解決方案：將變頻器柜體的進風口設計為帶凸模的百葉窗式進風口。

3.2 物質-場模型

在TRIZ理論中，物質的意思十分廣泛，可以是產品，也可以是技術系統，“場”包括電場、磁場、引力場、溫度場、機械場、聲場等。完整的系統模型具備三要素：兩種物質和一個場。從磁懸浮變頻系統的功能模型可知，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，再由流體介質將熱量傳遞到系統之外。但由于在大功率設備中功率器件損耗過大，在有限的體積內散熱困難，流體介質（空氣或液體）對散熱器的換熱能力不足，因此需要增強系統內冷卻效果。根據效應不足的完整模型，應用標準解法第二級中的標準解——雙物場模型：現有系統的有用作用F1（熱場）不足，需要進行改進，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 技術系統進化法則

3.3.1 流進化法則

“流”是現代TRIZ中發展出來的新概念，流分析是一種識別技術系統內的物質、能量（場）和信息流動的缺陷的分析方法。散熱設計的目的是為系統內發熱部件與大氣環境間設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出去，保證部件溫升在允許的范圍之內。傳熱的基本方式有熱傳導、對流換熱和輻射換熱，其中，強迫風冷換熱和液冷換熱均屬于對流換熱，是磁懸浮變頻系統主要的散熱手段。

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和壓縮機殼體的流道內的流動不存在阻力過高、停滯區、密度低等缺點。但存在延遲區，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，結合小人法，得到的方案是：將靠近發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，破壞流道壁面的層流區域，增大制冷劑的擾動性，避免流速不均的現象。

3.3.2 協調性進化法則

變頻系統內功率器件的散熱至關重要，對散熱器的選擇和設計是功率器件散熱設計中極其重要的一環。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、比熱容大的優點，液冷散熱器內部流道設計是否合理是散熱能力好壞的關鍵因素。從功能模型可知，液冷散熱器對功率器件冷卻不足，對液冷散熱器設計的重點應落在內部流道的設計上。

目前常用的液冷散熱器是鉆孔式散熱器，即將散熱器內部鉆孔為空心的流道。通過經典TRIZ進化法則，預測產品的技術發展方向。為提高散熱器冷卻功率模塊的能力，根據協調性進化法則中的形狀協調進化路線，確定物體內部中空向毛細結構方向發展，將鉆孔式散熱器設計成流道毛細結構散熱器，具體的解決方案是：將簡單的鉆孔式流道改成毛細結構流道，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置為水，散熱器的進口溫度選擇默認的環境溫度，水流速度為1 m/s。在散熱器的出口創建溫度監控點。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 變頻系統的熱仿真圖

5 實驗驗證

如圖8所示，通過離心壓縮機測試臺對150RT磁懸浮變頻系統進行性能工況測試，100 %負荷下壓縮機運行轉速為30 000 rpm，系統運行2 h，可達到設定工況。變頻器采用制冷劑冷卻方式，壓縮機殼體內壁增加制冷劑流道從而冷卻電機，通過外接空調外機實現變頻系統的制冷劑循環。給變頻器內功率器件散熱的液冷散熱器采用兩種方案，改進前方案為單流道散熱器，改進后方案為多流道散熱器。當工況穩定時，散熱器的進口溫度為27.2 ℃，其它部件的溫度見表2所示。

圖8 變頻系統性能工況測試實驗現場

從表2可以看出，變頻器內的發熱部件的溫度較改進前明顯下降，電機的溫度也由改進前的47 ℃降為37.4 ℃，散熱器出口溫度由改進前的40 ℃降為35.3 ℃，降幅均在10 %以上。從而進一步證明，通過對變頻系統散熱方案的優化，散熱性能得到提高。

6 結論

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