离心冷水机组用直驱永磁电机关键技术研究

张 宙，宋 萍，李 薇

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

随着永磁电机技术的发展日趋成熟，永磁电机在超高速直驱应用领域的优势也越来越明显[1]。其中一个重要的应用方向是作为商用中央空调离心冷水机组的驱动部件。

在民用场合，国际压缩机巨头丹弗斯已经在商用高端压缩机领域成功实现超高速永磁电机直驱的产业化，相较而言，国内在实际商业应用方面，仍有不小的差距。

在军用场合，主要作为陆上、水面舰船离心冷水机组等冷却系统的驱动部件应用。国外最新列装的舰船冷却系统已经实现超高速永磁电机直接驱动离心式压缩机，而国内仍处于2极异步电机通过齿轮箱升速驱动离心式压缩机的阶段，不仅浪费舰船空间，同时也增加了对船体振动噪声的影响，特别对大型舰船的影响更为明显。

1 磁极形式对比分析

1.1 表贴式磁极方案

磁极形式设计是高速永磁电机设计的关键，永磁材料能承受较大的压应力(约1 000 MPa)，但不能承受大的拉应力，其抗拉强度低于抗压强度的十分之一(约80 MPa)。如果没有保护措施，永磁体无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力[2]。

目前，保护表贴式永磁体的措施有两种：一种保护方法是采用碳纤维绑扎永磁体；另外一种是在永磁体外面加一高强度非导磁金属保护套。与采用非导金属保护套相比，碳纤维绑扎带的厚度要小，而且不产生高频涡流损耗[3]。然而目前满足该样机碳纤维绑扎的大预紧拉力的机器国内无法生产，进口亦被限制，人工绑扎的工艺稳定性无法保证，并且需要大量的试验验证工作，因此表贴式磁极采用外加高强度非导磁金属保护套的结构，图1给出了表贴式磁极结构示意图。非导磁金属保护套材料为钛合金TC4，屈服强度高达860～1 000 MPa，永磁体采用钐钴材料，最高工作温度可以达到350 ℃。

图1 表贴式磁极结构示意图

由于永磁体能够承受很大的压应力而不能承受较大的拉应力，永磁体和保护套之间可以采用大过盈配合，使永磁体静态承受一定的预压应力。表贴式磁极方案材料特性列表如表1所示。

表1 表贴式磁极方案材料特性列表

通过转子静止和转子高速旋转时的稳态应力分析，校验护套是否能够承受所允许的应力，保证高速电机的安全运行，并且根据摩擦力传递转矩的概念，考虑过载及工程余量后，在最恶劣情况下仍需要永磁体和磁轭存在一定的压应力。由于钛合金护套的热膨胀系数略低于永磁体，所以超速旋转时受力最恶劣的情况为室温下的超速旋转。经过有限元分析，可以得到护套单边过盈量至少要达到0.40 mm，考虑到各种公差配合以及热套工艺间隙，不能保证热套温度控制在350 ℃左右，热套过程中有使永磁体发生不可逆退磁的风险。

从图2可以看出，超速10 250 r/min时(20 ℃)护套承受的最大等效应力约为490 MPa。

图2 超速10 250 r/min时表贴式磁极等效应力分布图

1.2 内置式磁极方案

内置式永磁同步电机转子中的永磁体受隔磁桥保护，结构相对牢固。内置式永磁同步电动机需要较小尺寸的隔磁桥使其易于达到深度饱和以减小漏磁，提高电机电磁性能。但另一方面，隔磁桥厚度也影响转子机械强度，通常隔磁桥位于转子外缘，电机高速运行时产生的离心力会引起转子形变。因此需要增大隔磁桥厚度使转子高速运行时不至于发生严重的塑性变形。

内置式磁极方案中还需要着重考虑高速旋转机械应力的分布问题，通过永磁体的摆放和隔磁桥搭配的关系，降低最大应力与平均应力的比值。比较常见的是将原本的整块永磁体分成数段小块的永磁体，之间用较窄的隔磁桥进行分隔。每极隔磁桥总宽度一样的情况下，永磁体和隔磁桥分布布置的最大应力会远低于集中布置的情况。

内置式磁极方案材料特性列表如下表2所示。

表2 内置式磁极方案材料特性列表

图3分别给出了两种内置式磁极结构的示意图，图4则分别给出了超速10 250 r/min时的磁极应力分布情况。

从图4可以看出，超速10 250 r/min时内置磁极结构方案一的最大等效应力约为672 MPa；方案二的最大等效应力约为535 MPa。转子磁极叠片采用武钢的磁轭热轧钢板WDER700(屈服≥700 MPa)，厚度约为3 mm，每片钢板要刷绝缘漆。

可以看出，方案二由于磁钢的倒“U”形布置，隔磁桥径向上方的极靴面积较小，因此隔磁桥所承受的附加极靴离心力较小。同时能更有效的增加磁钢布置空间，因此最终磁极形式采用内置式磁极结构方案二。内置式方案二磁极叠片和转轴间单边过盈量为0.04～0.08 mm，考虑到各种公差配合以及热套工艺间隙，能保证热套温度控制在250 ℃左右，能确保热套过程中磁极叠片的片间绝缘不被破坏。

图3 内置式磁极结构示意图

图4 超速10 250 r/min时内置式磁极等效应力分布图

2 电磁场分析

图5和图6分别给出了永磁电动机在空载和额定负载工况下的磁场分布情况，可以看出电机磁密分布合理，无局部过饱和点。

3 转子动力学分析

转子动力学分析是超高速永磁电机研制的关键核心技术。试验样机机组采用同轴驱动的一台630 kW永磁电动机和620 kW发电机组成。两台电机参数完全一致，用发电机模拟压缩机对转子进行动力学测试，转子临界转速分析结果列于表3。

图5 空载磁场分布示意图

图6 负载磁场分布示意图

表3 转子临界转速 r/min

转子轴系的Campbell图如图7所示，图8给出了转子轴系的第1阶和第2阶振型。

图7 转子轴系的Campbell图

可见，转子将稳定运行在1阶临界转速以上，2阶临界转速以下，与长期稳定运行转速的差距均在20%以上。

图8 转子轴系振型示意图

4 样机试制

根据文中前面章节的研究内容，最终完成了630 kW，8 200 r/min离心冷水机组直驱永磁电机试验样机机组的研制工作。

试验样机机组轴系顺利完成了1.25倍10 250 r/min的超速试验，后续将开展其他验证工作。

5 结论

以一台630 kW，额定转速8 200 r/min的超高速永磁电机为例，针对其中的几个关键技术点进行研究，包括磁极形式的对比分析、电磁场分析和转子动力学分析等。通过对比、分析，最终采用内置式磁极形式，并进行了电磁场和转子动力学的优化。并通过同轴的发电机模拟压缩机研制试验样机机组，其轴系顺利完成了1.25倍10 250 r/min的超速试验，后续将开展其他验证工作。