空压机电机性能与损耗数值计算研究

摘要：为了提高电机性能，本文对一款功率为10kW，转速为100krpm的空气压缩机的永磁电机进行了设计和分析。针对电机的设计指标，选择电机材料并计算出电机的性能和尺寸参数。对转速与电流、效率以及力矩的性能曲线来分析所选择的电机设计参数，同时利用有限元分析电机的定转子损耗。最后通过分析转子护套材料、以及转子与护套间过盈量的应力，分析过盈量范围对电机安全系数的影响。研究结果表明，采用水循环的定子，电流密度可以比普通电机偏大。同时，保护套与芯轴边缘损耗较大。

关键词：永磁电机;有限元分析;损耗分析;过盈量

中图分类号：TM301.4                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0059-03

0  引言

空气压缩机是一种用于压缩气体的设备，其电机有感应电机、无刷直流电机、高速永磁电机等，而高速永磁电机的利用率比高速感应电机的更好，所以对于永磁电机的研究比较广泛[4-7]。Bailey C等[1]阐述了一台功率为8mW，转速为15000rpm，用于压缩机的高速永磁电机在石化行业的应用。该电机定子采用低损耗硅钢片，转子轴承采用主动磁力轴承和滚动轴承，并采用转子动力学原理分别对两种不同类型的轴承进行了比较。Soong等[2]对一台用于离心式压缩机的高速高效感应电机进行了电磁和机械设计，并对3种不同类型的电机（开关磁阻电机，永磁同步电机，感应电机）的电磁特性、损耗、机械特性进行了比较。Jang S M等[3]介绍了一个高速、高功率密度直流无刷电机，功率为50kW，70wrpm级离心压缩机的设计和分析。用理论分析方法对高速电机的结构设计准则和功率损耗进行分析，并用有限元法对结果进行了验证。

针对这款额定功率功率为10kW，额定转速为100krpm的空气压缩机，本文对它所适用的电机进行设计和分析。首先应该选择电机材料并计算出性能参数和结构尺寸参数，对转速与电流、效率以及力矩的性能曲线来分析所选择的电机设计参数，同时利用有限元分析电机的定转子损耗。最后通过分析转子护套材料、以及转子与护套间过盈量的应力，来达到减小电机内部损耗，提高电机性能的目的。

1  材料与方法

1.1 材料的选择

电机定子是电机中重要部分，主要是定子鐵芯、定子绕组和机座三部分组成。主要是给电机产生旋转磁场。在本文中定子材料选用厚度0.2mm，特殊用途的无取向电工钢，型号为20WTG1500。在1.0T和400Hz下，损耗分别小于9.0W/kg和15W/kg。饱和磁感不小于1.4T，叠装系数为92%。

1.2 电机结构设计

定子绕组结构采用24槽结构，绕组连接方式为双层短距星形连接，每相匝数为24。为了减小肌肤效应的影响，每匝采用多股并绕。而转子采用两极结构，环形永磁体中部为芯轴用以传递扭矩，与永磁体之间采用粘合连接，为保障永磁体在高速旋转下不受离心力破坏，环形永磁体外部设置保护套，保护套与环形永磁体间采用过盈配合。

通过对设计参数的选取与计算，满足上述条件的电机参数如表1所示。

1.3 电机数值计算模型

用于这款空气压缩机的永磁电机的二维数值计算模型和三维数值计算模型如图1所示。

2  结果与讨论

2.1 电机性能分析

通过已有的思路设计出的模型，接下来我们需要进行转速与电流、效率、力矩的性能分析，验证其是否符合设计需求和安全要求。如图2所示，由转速与电流，转速与效率，转速与力矩关系曲线图可知转速达到100000rpm时，电流与力矩基本符合设计参数;并且在60000-100000rpm，效率都在80%以上，100000rpm时，效率在90%以上。所以通过对转速与电流、效率、力矩的性能分析，这个电机在性能方面是符合设计需求的。

2.2 额定状态下运行结果分析

本次模拟采用的具体工况为电压250V，转速99500rpm，对得到此工况额定状态下的力矩和电流曲线进行分析。由图3可以得知：从力矩曲线图中看出在额定状态下运行的力矩均值为0.98N.m，由于电机极数少，力矩波动相对多极电机大，波动幅度为0.18N.m，占力矩均值的18.3%，考虑到转子转动惯量较大，力矩波动的周期较短，其对转子转速产生的影响可以忽略不计。从电流曲线中看出额定状态下的电流均值为42.66A。通过电流值可求得电流密度为9.42A/mm2，由于定子采用循环水冷却，电流密度可以比普通电机偏大。通过以上电流均值和力矩均值，可求得电机的力矩常数为0.023N/A。

2.3 电机的损耗分析

电机的损耗分析可以分成对定子损耗和转子损耗，具体实验方案分析在266V，100krpm时额定运行状态的定子损耗和250V，99500rpm时额定运行状态的转子损耗。如图4所示，可以看出定子损耗主要分布在定子轭与定子齿的结合部位，这是由于这个位置的磁密大引起的;定子的损耗数值比转子的损耗数值大。

3  结论

本文对功率10kW，转速100krpm的空气压缩机的永磁电机进行了设计和分析。选择了电机材料并计算电机的性能和尺寸参数。利用有限元分析电机的定转子损耗。最后分析了转子护套材料、以及转子与护套间过盈量的应力。结果表明，采用水循环的定子，电流密度可以比普通电机偏大。同时，保护套与芯轴边缘损耗较大。

参考文献：

[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]王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究[J].沈阳工业大学学报，2006（03）：258-264.

[5]高义冬，马哲树.用于空压机的高速电机的设计和分析[J].电子设计工程，2014，22（15）：122-125.

[6]徐云龙.高速永磁电机损耗计算与热分析[D].沈阳工业大学，2009.

[7]于涛.高速永磁发电机定子结构设计及其损耗计算[D].沈阳工业大学，2006.

作者简介：倪淮生（1975-），男，安徽繁昌人，技术总监，工程师，研究方向为燃料电池系统集成。