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摘要：随着科技不断地发展，永磁同步电动机技术不断成熟，永磁同步电动机具有体积小、效率高和功率因数高等诸多优点，在各行业得到了广泛的应用。本文对永磁电机冷却介质紊流作用下全域流热耦合场进行了数值计算，分析了不同入口风速下电机冷却介质流动规律及电枢绕组热表征。开展了不同电枢电流下样机定子端部绕组温度测试，并与理论分析结果进行对比，验证了永磁电机三维流固耦合传热模型的合理性和计算方法的正确性，对压缩机用永磁同步电动机的发热与冷却设计提供理论借鉴。
关键词：永磁变频；双级压缩；螺杆式；空气压缩机
引言
相比于传统异步电机，永磁同步电机具有功率密度高、效率高、可靠性强等优点，作为压缩机的核心驱动机构得到广泛应用。然而，压缩机用永磁同步电机定子电枢绕组电流密度大，电负荷高；同时，电枢端部绕组绑扎有较厚的绝缘，造成其散热困难。压缩机用永磁同步电机温度过高会直接造成绝缘老化，导致永磁材料退磁，影响永磁电机寿命和安全可靠运行，严重时对系统造成危害，使压缩机用永磁同步电机非正常停机。永磁电机在运行时转子处于旋转状态，端部流体和气隙流体流动对端部电枢绕组和永磁体温度分布及冷却效果影响较大。因此，在实际转子旋态下如何准确计算压缩机用永磁同步电动机温度分布，合理设计电机通风及水冷结构，保障压缩机用永磁电机在电枢绕组大电流、高热负荷时仍可安全稳定运行至关重要。目前，国内外已有许多学者基于有限元法、集总参数热网络法、有限体积法和有限公式法对永磁电机的传热开展了理论研究。
1永磁同步电动机的原理及特点
1.1永磁同步电动机的原理
永磁同步电动机的种类繁多，按照定子绕组感应电动势的波形的不同，可以分为正弦波永磁同步电动机（PMSM）和梯形波永磁同步电动机。使用的正弦波永磁同步电动机定子由三相绕组以及铁心构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组，气隙场设计为正弦波，以产生正弦波反电动势。永磁同步电动机转子采用永磁体代替电励磁，根据永磁体在转子上的安装位置不同，正弦波永磁同步电动机又分为凸装式、嵌入式和内埋式。除利用异步转矩或磁阻转矩起动的永磁同步电动机之外，绝大多数的永磁同步电动机需要逆变器驱动以平稳起动及稳定运行。因此正弦波永磁同步电动机又分为异步起动永磁电动机与调速永磁同步电动机。异步起动永磁同步电动机是具有自起动能力的永磁同步电动机，兼有感应电动机和电磁同步电动机的特点，依靠定子旋转磁场与笼型转子相互作用产生的异步转矩实现起动。正常运行时，转子运行在同步转速，笼型转子不再起作用。稳态运行时，转子的转速和电网频率之间的关系n＝60f/p。调速永磁同步电动机定子与普通的感应电动机相似，省去了异步起动永磁同步电动机所具有的转子笼形绕组，只能采用变频起动，有矢量控制调速、直接转矩调速控制方式。矢量控制调速通过坐标变换实现模拟直流电动机的控制方法对永磁同步电动机进行控制。直接转矩控制是在矢量控制策略后又一应用广泛的控制策略，它放弃了矢量控制中解耦的思想，没有通过控制定子电流、定子磁链等变量间接控制电动机，而是通过直接控制电动机的转矩控制其转速。
2永磁同步电动机的特点
（1）在永磁电动机转子中无感应电流励磁，转子采用永磁体，定子绕组有可能呈纯阻性负载，功率因数高，甚至呈现容性，不需要无功补偿。（2）永磁同步电动机转子无励磁电流，因此电流小，较三相异步电动机电流降低10%以上。（3）控制性能优良，控制方便，严格同步，动态响应性能好。（4）起动转矩高、过载能力强，起动转矩可达到3~5倍。（5）永磁同步电动机相对于同功率异步电动机体积小，重量轻及噪声低。在低频的时候仍能保持良好的工作状态，低频时的输出力矩较异步电动机大。（6）永磁同步电动机功率因数高低不受电动机极数的限制，在电动机配套系统允许的情况下，可以将电动机的极数设计得更高，相应电动机的体积可以做得更小。
（7）永磁同步电动机的外特性效率与功率因数曲线相比异步电动机，其低负荷下比同等异步电动机的功率因数、效率高很多。
3永磁变频空压机的优点和缺点
与较为传统的电机相比，永磁变频空压机的主要优点在于对机器的控制更加准确。两种机器的基本原理存在差异。在市场上，绝大部分的空压机主要为变量负载原理，但是永磁类型的空压机主要是根据用户的不同需求不断进行改善，通过气体体积的变化来对速度进行调整，可以在很大程度上减少损耗。这种较为新型的空压机在使用过程中也需要选择合适的工况，并不是在任何环境下，其节能效果都是可以保证的；有小部分的工作场合更加倾向于使用传统空压机，因为使用永磁变频空压机可能会消耗更多的能源，因此，对于空压机的选择需要因地制宜，以免造成不必要的损坏。永磁变频空压机的优势具体体现在以下方面。
3.1运行过程中更加可靠
永磁变频空压机运行的特点主要在于启动过程较为平缓，运行更加稳定。在空压机运行过程中，可能出现电流峰值，会对仪器造成损害，变频机起到了良好的作用。变频机的变频作用主要发生在启动的整个过程中，在启动过程中，若出现较为高的电压，变频机可以逐渐将其转化为规定好的标准电压。仪器中，气体体积若发生变化，主要是通过相应仪器对压力的变化进行识别。所产生的气体体积主要与用户的需求相关，一般要保证压力处在稳定不变的状态。永磁变频空压机有利于减少能量的消耗，在一定程度上避免了机器在启动过程中产生的冲击力。
3.2恒压省电
对于运行的机器来说，将其工作压力控制在较为稳定的状态，可以在很大程度上节省电量的消耗。与传统的空压机相比，变频空压机存在的优势在于，运行过程中，两者在机器对压力的控制能力上存在不同。普通的空压机可以将压力控制在规定压力范围内的上下0．7bar，与其相比，变频空压机波动范围为普通空压机的1/7，可以节省更多的能耗。在卸载运行时，节省能耗方面表现得更加突出。变频空压机对于供气带来的品质提升也是不可忽视的，可以使得空压机设备的运行状态更加稳定，且不容易被损害，有利于机器的后期维护和修理。
3.3交流电源的电压适应性强
在交流电源的电压适应性方面，永磁变频空压机的优势主要表现在，即使交流电源不够高，也可以保证在输出过程中有足够的力矩，使电动机依然在正常的电压下工作。不仅可以对较低的电压进行控制，当电压较高时，也可对压力进行适当的调节，保证电压在输出过程中较为合适。
3.4噪音小
大多数的变频系统在工作过程中产生的转速都比额定的转速更低，以保证减少机器间的相互摩擦，避免产生较大的磨损，有利于保证机器的工作效率，减少后期维护的花费，延长使用寿命。变频驱动系统不仅可以应用在电机中，还可以应用到风机的控制系统中，有利于减少噪音。
结束语
通过实际测试分析，采用新型高效永磁同步电动机降低了运行电流，节约了电能，提高了运行效率，提高了电网功率因数，减少了电动机温升与运行噪声，投资回收周期短，产生了可观的直接和间接经济效益。
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