氫燃料電池用高速永磁同步電機(jī)性能的數(shù)值研究

摘要：在利用Maxwell 方程組推導(dǎo)了高速永磁同步電機(jī)的二維電磁場(chǎng)控制方程的基礎(chǔ)上，采用Bertotti 鐵耗分立模型計(jì)算電機(jī)鐵耗，引入雷諾系數(shù)計(jì)算風(fēng)摩損耗，用經(jīng)典計(jì)算公式計(jì)算繞組銅耗和渦流損耗，以上損耗值轉(zhuǎn)化為體積生熱率施加到電機(jī)各發(fā)熱部件作為溫度場(chǎng)分析時(shí)的熱源，并且考慮材料溫變特性和定子非晶合金導(dǎo)熱系數(shù)各向異性，使用流固耦合法建立了高速永磁電機(jī)溫升預(yù)測(cè)模型。依據(jù)所建模型進(jìn)行算例分析，應(yīng)用Maxwell 軟件和Fluent 軟件研究了氣隙槽寬、槽肩高和氣隙長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)的影響，研究表明氣隙槽寬對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)影響較小，適當(dāng)增大氣隙槽寬有利于電機(jī)散熱。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池；高速永磁同步電機(jī)；流固耦合；溫度預(yù)測(cè)；數(shù)值研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

氫燃料電池中使用的空壓機(jī)轉(zhuǎn)速很高（一般超過(guò)100 000 r/min），需要一種特殊的高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求電機(jī)具有速度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、單位體積輸出功率大、質(zhì)量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)。高轉(zhuǎn)速的要求對(duì)電機(jī)的散熱、損耗、穩(wěn)定性等性能提出了挑戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)高速永磁同步電機(jī)的研究仍然處于開(kāi)發(fā)階段，為此，開(kāi)展高速永磁同步電機(jī)的性能研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化十分必要。

萬(wàn)德鑫[1] 針對(duì)利用有限元計(jì)算高速電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，提出了一種解析法與有限元法一并使用的半解析法，并以此為基礎(chǔ)研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子渦流的影響。趙南南等[2] 應(yīng)用田口法分析了隔磁橋間距、氣隙長(zhǎng)度、永磁體厚度和寬度對(duì)電機(jī)體積、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及鐵耗的影響，從而對(duì)高速永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。趙朝會(huì)等[3] 認(rèn)為極對(duì)數(shù)存在一個(gè)較為合理的值，在該值下氣隙磁通密度不僅大， 且電機(jī)體積也較小， 其利用有限元分析（FEA）軟件討論了電機(jī)電磁場(chǎng)內(nèi)多個(gè)物理量之間的關(guān)系，驗(yàn)證了極對(duì)數(shù)確實(shí)存在一個(gè)合理值。朱珊等[4]對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、氣隙大小及永磁體的充磁方向進(jìn)行分析，對(duì)比了定子槽數(shù)為24 槽和36 槽的高速永磁電機(jī)性能。Chen 等[5] 分析了全封閉永磁電機(jī)（FEPM）的散熱系統(tǒng)，提出了一種雙循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，降低了內(nèi)部的溫度。雷艷華等[6] 基于ANSYS/RMxprt（磁路法）對(duì)高速電機(jī)電磁性能進(jìn)行優(yōu)化，研制了75 kW、30 000 r/min 的大功率高速永磁同步電機(jī)。Sulaiman 等[7] 通過(guò)改進(jìn)電樞線圈上槽和下槽之間的間隙寬度， 最終設(shè)計(jì)的混合勵(lì)磁磁通開(kāi)關(guān)電機(jī)（HEFSM）的功率密度得到有效提升。王雨晴[8] 考察了高頻電流引起的趨膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)和環(huán)流效應(yīng)，建立了高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的解析計(jì)算模型。卓亮等[9] 考察了轉(zhuǎn)子材料的電導(dǎo)率及其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的因素，將精確子域法與等效熱網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合，提出了轉(zhuǎn)子渦流損耗的半解析計(jì)算模型。陳學(xué)永等[10] 基于FEA 的耦合場(chǎng)路法計(jì)算了轉(zhuǎn)子損耗，提出了應(yīng)用在鼓風(fēng)機(jī)所用的高速永磁同步電機(jī)上一種新型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。秦雪飛等[11] 利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）研究水冷電機(jī)的熱性能，實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)設(shè)計(jì)。Li 等[12] 對(duì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化建模和多目標(biāo)優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)了一種表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)的水油混合冷卻系統(tǒng)。Chen 等[13] 將FEA 與二維快速傅里葉變換（2D-FFT）相結(jié)合，得到轉(zhuǎn)子中交變磁鏈密度諧波（FDHs）的交變頻率和幅值變化趨勢(shì)。Zhao 等[14] 提出了一種磁通增強(qiáng)永磁同步電動(dòng)機(jī)（FIPMSM），求解磁路等效（MEC）模型，給出了花瓣形轉(zhuǎn)子、非均勻氣隙和其他不規(guī)則形狀轉(zhuǎn)子的等效磁阻計(jì)算方法。Chen 等[15]通過(guò)引入電流矢量勢(shì)，利用變量分離法解析推導(dǎo)了磁體內(nèi)部的三維渦流分布，進(jìn)而得到了磁體內(nèi)部的總渦流損耗。Lubin 等[16]提出了一種基于極坐標(biāo)下二維拉普拉斯方程和泊松方程的解析子域模型，同時(shí)較好地考慮了電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和槽間的相互影響。Mcdonagh 等[17]通過(guò)FEniCSx 平臺(tái)對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)多物理場(chǎng)的電機(jī)性能仿真。

綜上所述，目前對(duì)高速電機(jī)的研究尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)高速交流穩(wěn)態(tài)電磁場(chǎng)、電機(jī)內(nèi)的空氣流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的綜合計(jì)算，對(duì)高速永磁電機(jī)的溫升預(yù)測(cè)還不成熟，尚無(wú)法滿足氫燃料電池空壓機(jī)用高速電機(jī)的應(yīng)用需要。為此，本文以高速永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)及溫度場(chǎng)開(kāi)展數(shù)值研究，為高速電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法以及氫燃料電池空壓機(jī)用高速電機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供理論支撐。