广东省东莞电机有限公司
摘要：空压机在工业领域一直是用电大户，空压机的能耗占工厂设备能耗的30%～40%，占全国总的发电量8%以上，其节能问题是我国今后节能排查重点对象[1]，其配套电机质量的好坏、效率的高低，将直接影响着空压机的能效比。因此，降低空压机的能耗实现高效节能成为许多企业当前急需解决的重大课题。永磁同步电机具有温升低，功率密度大、起动性能良好、轻载负荷效率高等优点，是未来空压机的发展趋势。本文简单介绍空压机的工况，并根据空压机电机的设计要求设计了一款符合空压机永高效率永磁同步电机。
关键词：空压机 高效率 永磁同步电机
引言
螺杆式空压机工作由吸气、压缩、排气和膨胀四个进程组成，吸气时属于充气状态，此时电机为重载运行状态，当储气罐中压缩的空气达到充气上限压力时，进气卸荷阀就自动关闭进气口，此时电机处于轻载运行状态。电机在整个运行过程中由轻载-重载-轻载-重载周而复始的运行。
根据空压机运行特性及较高环境温度，其配套电机需具备以下几点要求：①保证在压缩过程时必须满足一定的过载倍数；②保证电机稳定运行时温升较低，以免出现退磁现象；③保证电机在运行的轻载点到负载点都能保持较高的效率及功率因素；
1空压机用永磁同步电机设计要求
空压机用永磁同步电机的设计要求如下：
（1）额定功率：37kW、额定转速3000r/min、绝缘等级：F、效率：≥94.0%、过载倍数：≥1.8；
（2）压缩机负载：排气量：1.0m3/min，排气压力：1.0Mpa，供气温度：环温+15℃，运行工况以24h连续运行，其中每天9h运行在90%负载，13h运行在50%负载，3h运行在25%负载及以下。
2转子磁路结构的选择
根据设计要求，对在高温下运行的高速电机有以下几点设计思路：①在不影响钳线的情况下，槽口应尽可能小，可有效的减小齿槽转矩；②为防止局部磁饱和，定子槽肩角要厚些；③为有效降低噪声，齿、轭要厚些，气隙齿密低些，原则 。同时采用“V”型槽结构主要有两点考虑：①高速旋转时离心力直接作用在磁钢上的作用力更小；②磁钢埋得更深，空出的转子冲片的空间更大，磁力线直接作用在磁钢上更少，电机的过载能力更强，磁钢的寿命更长，磁损耗更低；③漏磁系数小、转子不易变形。
3电机总体参数计算和选取
通常空压机电机的极数为4、6、8极，样机的极槽配合选取6极36槽，根据电机学知识对其总体参数进行计算和选取，其结果如表1所示。
（2）空载齿槽转矩分析
电机转子旋转一周其齿槽转矩基波周期数为定子槽数和转子极数的最小公倍数 ，最小公倍数 越大其齿槽转矩基波周期数越大，则齿槽转矩的幅值越低。在Maxwell 2D里仿真齿槽转矩，需要设置足够低的转速（1度/秒），需要适当加密网格，因为齿槽转矩对网格特别敏感，经过适当加密后才能获得正确的齿槽转矩波形。转子转过一圈齿槽转矩周期数为36，即每10s转过一个齿槽转矩。从仿真中可知空载齿槽转矩幅值为0.348.4251N.m，占额定转矩的0.3%，幅值小符合设计要求。
5.2 负载磁路分析
（1）额定转矩和过载倍数分析
对电机模型三相赋予电流源激励，当转矩角PA=30°时，让电机转速从零开始运行。看负载电磁转矩在一定时间内是否收敛，收敛后在一个电周期内的电磁转矩Tem为124.29N.m大于98%TN，满足要求，其中2%为安全裕度。其电磁转矩波动为5.5%，符合空压机使用要求。
样机的过载倍数可按公式4.426-PA×0.0709进行计算，计算的过载倍数为2.3倍，符合过载倍数要求。
（2）额定负载损耗分析
从仿真中可知，铜耗PCu为551.8W，占额定功率1.49%，铁耗PFe为410.1W，占额定功率1.11%，磁滞损耗PSolid为30.4W，占额定功率0.083%。从三种损耗的占比中可以看出，铜耗占比最大，主要是因为电机在刚启动时，电流较大，铜耗大，到电机稳定运行时，铜耗迅速降低，并基本与铁耗差不多。而磁滞损耗占比很小，因此在电机的损耗分析中也有人将磁滞损耗忽略不计。
（3）额定效率计算
电机的损耗不仅包含铜耗PCU、铁耗PFe以及磁滞损耗PSolid，还包括机械耗和杂散损耗，而在软件中又较难去分析该部分的损耗，因此在工程上在已计算的损耗中乘以相关损耗系数，此时效率计算公式如下：
在额定负载下通过仿真可知样机额定负载效率值为95.17%，满足设计要求。
对样机进行试制，从试验结果看电机效率为94.5%，过载倍数为1.95倍，绕组温升为50K，机壳温度为55℃，综上所述样机符合设计要求。
参考文献：
[1] 喻志强，于洋，林子良等.国内螺杆压缩机节能发展方向[J].通用机械，2013（2）：14-17.
[2] 徐作为 空压机用超超高效永磁同步电机设计及铁耗研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2016.
论文作者:邱杏坡
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/8
标签：转矩论文; 电机论文; 永磁论文; 空压机论文; 负载论文; 转子论文; 样机论文; 《基层建设》2017年第13期论文;