TRIZ理论在磁悬浮变频系统散热中的研究与应用

刘 玲

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

磁悬浮压缩机和大功率变频器是磁悬浮变频系统的两大核心部件。磁悬浮压缩机内部电机通过电磁力将转子悬浮在磁场中，不需要润滑油系统，具有无油、无磨损、转速高等优点。将磁悬浮和变频技术应用于离心冷水机组，能大幅降低机械损失，显著提高系统能效，对节能减排、低碳环保有重要的现实意义。但由于功率密度大，散热困难，变频器内部元器件和压缩机内电机发热量大，过高的温升会导致变频器内部元器件失效和电机内永磁体退磁，极大地影响磁悬浮变频系统运行的稳定性[1]。因此，降低高速永磁电机和大功率变频器内部温升，对系统的散热及通风进行合理的计算和设计，实现系统的高效散热尤为重要。

TRIZ（拉丁文：Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，发明问题解决理论）是苏联根里其·阿奇舒勒与其他科学家们在研究、分析、整理全世界大量专利文献和自然科学知识的基础之上，建立的一整套系统实用的理论方法体系[2]。TRIZ发明问题解决理论的核心原理是将具体问题抽象为问题模型，可以指导人们创造性的解决实际科研生产中遇到的技术问题。TRIZ的解题思路一般是利用39个通用工程参数将实际问题转化为一般性问题，通过40个发明原理、76个标准解等解题工具对实际问题进行分析求解。

本文针对磁悬浮变频系统温度过高的问题，利用TRIZ理论中的问题分析工具对系统进行了分析优化，进而对磁悬浮变频系统的散热方案进行优化设计，以提高磁悬浮变频系统的散热性能。

1 问题描述

根据TRIZ理论，定义技术系统及其实现的功能，即：问题所在的技术系统为磁悬浮变频系统，实现的主要功能是将低压气态制冷剂通过变频器控制的压缩机压缩成高压气态制冷剂[3]。实现该功能的约束条件有：①保证磁悬浮压缩机的正常运转，②保证大功率变频器的正常运转。分析系统的工作原理，即：如图1所示为应用于制冷领域的磁悬浮变频系统结构示意图。

图1 磁悬浮变频系统结构示意图

磁悬浮变频系统主要由图1所示的大功率变频器和磁悬浮压缩机组成，其中大功率变频器是将电网输入的不可调的三相 交流电经整流和逆变转换成幅值和频率可调的三相交流电，通过改变变频器的输出电流的大小控制磁悬浮压缩机的转速，电流越大，功率越大，压缩机的转速越高。

当前技术系统中出现的问题有：随着工业化进展，磁悬浮变频系统朝着高转速、小型化的趋势发展，大功率变频器由于功率较大，内部功率器件、电容及电抗器等电器元件发热量较大，散热空间有限，这些电器元件产生的大量热量如果积聚在变频器内无法散出，功率器件、电容及电抗器等重要元器件会因长时间在高温环境下工作而烧毁，造成严重的安全事故。磁悬浮变频系统功率较大意味磁着悬浮压缩机高速运转时发热量大，同时磁悬浮压缩机无机械摩擦，高转速下产生的风摩损耗较大，进一步升高了压缩机内部温度，加剧了磁悬浮压缩机内部件的损坏[4]。鉴于以上原因，如何在有限的体积内优化散热结构，提高磁悬浮变频系统的散热效率，是当前迫切需要解决的难题之一。

为了保证磁悬浮变频系统的正常运行，运用TRIZ理论对大功率变频器及磁悬浮压缩机的散热系统进行优化，要求在不增加复杂的散热系统、不增大系统体积的基础上，尽可能使得各部件在合理的温度下长时间工作。

TRIZ理论应用流程如图2所示，首先，描述磁悬浮变频系统温升过高的现象，然后，对系统进行组件分析，建立系统的功能模型进行功能分析得到功能缺陷，对变频系统温升高的初始缺陷进行因果分析并找到关键缺陷，再利用TRIZ理论的解题工具，得到实际可行的解决方案，最后对方案进行验证。

2 问题分析

2.1 功能分析

功能分析旨在分析和建立系统的功能模型，即将抽象的系统转化为具体的图表，通过建立功能模型把系统的各个部件所执行的功能表示出来，帮助设计人员更好地识别系统中一系列的功能缺陷，并对其进行合理的创新设计。

对磁悬浮变频系统进行功能分析，具体步骤：

1）确定磁悬浮变频系统的元件、制品、超系统。磁悬浮变频系统的主要功能是移动制冷剂，因此，制冷剂是系统的作用对象，也是制品。系统之外的高层次系统称之为超系统，超系统可以作为工程系统的资源，也可以作为解决问题的工具。空气对磁悬浮变频系统的散热作用重大，且不能删除或重新设计，因此该系统的超系统是空气。实现系统功能的系统组件为电抗器、功率器件、电容、散热器、风机、变频器柜体、电机、压缩机壳体、叶轮[5]。

2）对元件、制品、超系统进行作用分析。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变频器柜体阻挡空气有害；②电抗器加热电容有害；③功率器件加热电容有害；④功率器件加热电抗器有害。不足作用是：①变频器柜体冷却空气、电抗器、电容、散热器不足；②空气冷却散热器不足；③散热器冷却功率器件不足；④功率器件控制电机不足；⑤制冷剂冷却散热器、压缩机壳体不足；⑥压缩机壳体冷却电机不足；⑦风机移动空气不足。后续对系统的改进设计是针对有害和不足作用进行的完善。

3）将作用连接各功能元件，绘制了磁悬浮变频系统的功能模型，如图3所示。图3中，圆角矩形框表示制品，也可以叫做目标；直角矩形框表示系统组件；六边形表示超系统组件。黑色实线表示正常功能，红色实线表示有害功能，虚线表示不足功能。

图3 磁悬浮变频系统的功能模型

图4 裁剪掉电抗器得到的问题模型

2.2 功能裁剪

对经过功能分析得出的功能缺陷进一步分析，对系统中存在的问题运用裁剪来解决。通过裁剪，将问题功能所对应的元件删除，使得功能从已裁剪的组件转移到其他系统组件中。裁剪对象优先选择具有以下特性的元件：①关键有害因素；②最低功能价值；③最有害功能；④最昂贵的元件。基于以上原则，通过实验测试对各个元件进行有害功能分析，确定系统中电抗器是有害功能最多的元件，进而确定裁剪对象为电抗器，利用裁剪规则B对电抗器进行裁剪，但裁剪后的模型失去了原来电抗器改变电流的功能，利用电容本身特性改变电流值能力不足，因此裁剪后得到的模型是问题模型。

2.3 功能导向搜索

功能导向搜索是充分利用现有的技术，借鉴其他科技领域中现有的解决方案，这种方法能快速、有效地解决产品设计中遇到的问题。针对上述裁剪过程中电容改变电流不足的问题，采用TRIZ中解决问题的工具——功能导向搜索来求解，解题步骤如下：

在仿真过程中,可以通过设置ITS[3:0]来确定积分时间,图5、图6所示图形为CLK设置为10 MHz,积分时间设置为128个时钟周期,即12.8 μs时仿真的主要信号的波形和局部细节展示。由于测试采用的是重复的电注入偏置电压源,所以输出电压呈16个台阶状上升,每行单元电路则对应了8个16级阶梯状输出,一帧图像的全部读出会产生 1 024 个阶梯状的输出。

1）功能语言描述：电容改变电流不足；

2）一般化功能：改变电流；

3）确定领先领域：音响电源滤波；

4）具体解决方案：在变频器前端配置有源滤波器解决改变电流不足的问题。

2.4 因果分析

因果分析是一种识别技术系统关键缺陷的分析方法，将系统中的缺陷通过因果关系网连接起来，找到系统中的关键缺陷是快速实现项目目标的手段[6]。因果链的构建分为以下几个步骤：

1）找到系统的初始缺陷，初始缺陷往往是与课题目标完全相反的一种缺陷，因此定位到本课题的初始缺陷是磁悬浮变频系统发热部件温度高。

2）确定系统出现缺陷的原因，将多个原因用“and”或者“or”表示出来，用箭头指向上一级缺陷。

3）找到系统的关键缺陷。从图5可知，系统的关键缺陷是：①散热器接触面积过小；②散热器面积过小；③辐射换热量过少；④制冷剂质量过少；⑤风速过小；⑥变频器进风口孔径过小；⑦空气温度过高；⑧风量过小；⑨制冷剂温度过高；⑩流道面积过小；流道路径过短。

图5 磁悬浮变频系统发热部件温度高的因果链分析图

图6 物场模型

3 问题求解

3.1 物理矛盾

物理矛盾是技术难题中常见的一种矛盾，它是针对系统的某个参数，提出两种不同的要求，该要求相互排斥且合理。现代TRIZ理论将解决物理矛盾的分析原理概括为四种分离方法：空间分离、时间分离、条件分离和系统分离[7]。为解决磁悬浮变频系统部件温升过高的问题，对关键缺陷提出改进设计的需求：针对变频器进风口孔径过小的关键问题，既要求变频器进风口孔径大，利于散热；又要求变频器进风口孔径小，防止雨水。该物理矛盾可运用条件分离来求解，通过查分离方法与发明原理的对应表可以在条件分离所对应的14个发明原理中，依据No.17（空间维数变化）发明原理，得到解决方案：将变频器柜体的进风口设计为带凸模的百叶窗式进风口。

3.2 物质-场模型

在TRIZ理论中，物质的意思十分广泛，可以是产品，也可以是技术系统，“场”包括电场、磁场、引力场、温度场、机械场、声场等。完整的系统模型具备三要素：两种物质和一个场。从磁悬浮变频系统的功能模型可知，功率器件加热电容和电抗器有害，为解决其发热量过大的问题，通常是由安装在功率器件表面的液冷散热器将热量传递给流体介质，再由流体介质将热量传递到系统之外。但由于在大功率设备中功率器件损耗过大，在有限的体积内散热困难，流体介质（空气或液体）对散热器的换热能力不足，因此需要增强系统内冷却效果。根据效应不足的完整模型，应用标准解法第二级中的标准解——双物场模型：现有系统的有用作用F1（热场）不足，需要进行改进，可以加入第二个场F2，来增强场F1的作用，得到的解决方案：增加冷源提供新的热场来增强空气对散热器的换热能力[8]。

3.3 技术系统进化法则

3.3.1 流进化法则

“流”是现代TRIZ中发展出来的新概念，流分析是一种识别技术系统内的物质、能量（场）和信息流动的缺陷的分析方法。散热设计的目的是为系统内发热部件与大气环境间设计一条热阻尽可能小的通道，使得部件的热量能更快更容易地散发出去，保证部件温升在允许的范围之内。传热的基本方式有热传导、对流换热和辐射换热，其中，强迫风冷换热和液冷换热均属于对流换热，是磁悬浮变频系统主要的散热手段。

利用流分析法则，针对制冷剂冷却散热器、电机不足的问题，得到制冷剂的冷却作用不足。不足流主要分为导通性有缺陷的流和利用率有缺陷的流。制冷剂在散热器流道内和压缩机壳体的流道内的流动不存在阻力过高、停滞区、密度低等缺点。但存在延迟区，即制冷剂流道中间流速显著高于贴近壁面的制冷剂流速，因此，通过分析得到流缺陷是制冷剂利用率不高。提高流的利用率有9个措施，如表1所示。

表1 提高缺陷流的利用率的9个改进措施

为提高近壁面的制冷剂流速，制冷剂的流向重新分配，确定重新分配流的解决方向，结合小人法，得到的方案是：将靠近发热部件的流道中间增加挡板，将原本一条流道分成多条流道，使得制冷剂均匀的分布在流道内，破坏流道壁面的层流区域，增大制冷剂的扰动性，避免流速不均的现象。

3.3.2 协调性进化法则

变频系统内功率器件的散热至关重要，对散热器的选择和设计是功率器件散热设计中极其重要的一环。市面上，散热器多种多样，有翅片式散热器、液冷散热器等。液冷散热器具有体积小、比热容大的优点，液冷散热器内部流道设计是否合理是散热能力好坏的关键因素。从功能模型可知，液冷散热器对功率器件冷却不足，对液冷散热器设计的重点应落在内部流道的设计上。

目前常用的液冷散热器是钻孔式散热器，即将散热器内部钻孔为空心的流道。通过经典TRIZ进化法则，预测产品的技术发展方向。为提高散热器冷却功率模块的能力，根据协调性进化法则中的形状协调进化路线，确定物体内部中空向毛细结构方向发展，将钻孔式散热器设计成流道毛细结构散热器，具体的解决方案是：将简单的钻孔式流道改成毛细结构流道，即流道板表面有凹槽，再将盖板与流道板钎焊压接而成。

4 仿真分析

采用ANSYS Icepak的液冷板热模型来仿真不同流道的散热器通入制冷剂后的散热效果，仿真模型的流体材料设置为水，散热器的进口温度选择默认的环境温度，水流速度为1 m/s。在散热器的出口创建温度监控点。选择矩形移动热源模型，功率为3 000 W。通过对模型对象进行后处理，得到图7所示的温度云图，可以看出：多流道散热器相较于单流道散热器对功率器件散热更均匀。

图7 变频系统的热仿真图

5 实验验证

如图8所示，通过离心压缩机测试台对150RT磁悬浮变频系统进行性能工况测试，100 %负荷下压缩机运行转速为30 000 rpm，系统运行2 h，可达到设定工况。变频器采用制冷剂冷却方式，压缩机壳体内壁增加制冷剂流道从而冷却电机，通过外接空调外机实现变频系统的制冷剂循环。给变频器内功率器件散热的液冷散热器采用两种方案，改进前方案为单流道散热器，改进后方案为多流道散热器。当工况稳定时，散热器的进口温度为27.2 ℃，其它部件的温度见表2所示。

图8 变频系统性能工况测试实验现场

从表2可以看出，变频器内的发热部件的温度较改进前明显下降，电机的温度也由改进前的47 ℃降为37.4 ℃，散热器出口温度由改进前的40 ℃降为35.3 ℃，降幅均在10 %以上。从而进一步证明，通过对变频系统散热方案的优化，散热性能得到提高。

6 结论

本文运用TRIZ理论对磁悬浮变频系统温升过高的问题进行研究，利用功能分析、组件分析、裁剪、因果分析定位温升过高的关键原因。介绍了物理矛盾、物场模型、进化法则、功能导向搜索、进化法则等TRIZ工具的解题过程，得到了切实有效的创新方案，将这些方案应用于系统中，极大的降低了磁悬浮变频系统中的温度，降幅可达10 %以上，提高了系统的散热性能。