空壓機(jī)用高速電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

趙喜良

（佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002）

空壓機(jī)用高速電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

趙喜良

（佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002）

概述了電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)，對(duì)空壓機(jī)用高速電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)和Maxwell 3D仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

高速電機(jī)；電磁結(jié)構(gòu)；仿真分析

車(chē)用燃料電池系統(tǒng)作為目前在能源領(lǐng)域中備受人們關(guān)注的新能源，已成為眾多科研部門(mén)研究的重點(diǎn)。一個(gè)燃料電池的整體可以涵蓋空氣、氫氣、水熱以及燃料電池堆等幾個(gè)部分。在這里，空氣壓縮機(jī)是為其提供氣體的關(guān)鍵設(shè)備，我們也可以將其理解為燃料電池系統(tǒng)之中最為核心的部件之一，這是因?yàn)槠湫阅苤苯記Q定了燃料電池的運(yùn)行效率。而且，我們知道在燃料電池系統(tǒng)中，其空壓機(jī)還必須具備體積小、質(zhì)量輕、功耗小等要求。所以，做好空壓機(jī)的部件設(shè)計(jì)問(wèn)題就顯得至關(guān)重要，正因如此，高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)勢(shì)必會(huì)成為我們?cè)诳諌簷C(jī)設(shè)計(jì)上的首選。

1 電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)概述

高速電機(jī)有很多種不同的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，在這之中要數(shù)永磁電機(jī)的效率最為優(yōu)良，當(dāng)然其在完成高速運(yùn)行的時(shí)候優(yōu)點(diǎn)也最為明顯。從另一方面來(lái)看，考慮到基本的定子開(kāi)槽結(jié)構(gòu)留出的有效氣隙太小，也會(huì)造成空載氣隙磁場(chǎng)變大的效果，實(shí)際上是便于機(jī)械加工的，當(dāng)然，考慮到這其實(shí)可以出現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速，所以可以定子開(kāi)槽，在初始狀態(tài)下的高速電機(jī)，其基本參數(shù)為：額定功率12kW，額定轉(zhuǎn)速50 000 r/min。

2 對(duì)空壓機(jī)用高速電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

2.1 定子結(jié)構(gòu)

在選擇定子槽數(shù)的時(shí)候，可以選擇二十四槽和三十六槽兩種，同時(shí)對(duì)這兩種類型完成需要的仿真計(jì)算，最后在使用電磁特性來(lái)完成篩選，以決定何者是最優(yōu)的設(shè)計(jì)。當(dāng)然在這種情形下，也可以采用雙層繞組來(lái)試圖減少端部的整體長(zhǎng)度，以此達(dá)到降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的實(shí)際效果。因此，我們?cè)诖_定定子結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考量整體的損耗以及散熱等重點(diǎn)問(wèn)題。在條件允許的情況下盡可能選擇損耗更低的那一種。而事實(shí)上我們通過(guò)分析現(xiàn)有條件，可以計(jì)算出二十四槽定子結(jié)構(gòu)的每導(dǎo)體平均散熱面積為51.1 mm，三十六槽定子結(jié)構(gòu)的每導(dǎo)體平均散熱面積為89 mm，這個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)際上比二十四槽大40%之多。

2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

所謂的氣隙，就是電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間在實(shí)際中存在的空間縫隙。這個(gè)“距離”的數(shù)值實(shí)際上會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，甚至直接對(duì)制造工藝產(chǎn)生實(shí)際的影響。如果氣隙的數(shù)值過(guò)大，會(huì)降低電機(jī)零部件裝配的精準(zhǔn)度；同理，如果這個(gè)數(shù)值過(guò)小也不行，因?yàn)檫@很可能會(huì)導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子發(fā)生掃膛，同時(shí)考慮到附加損耗的增加問(wèn)題，也會(huì)發(fā)生電機(jī)整體效率降低的問(wèn)題，會(huì)使得氣隙變得更加不均勻，造成不必要的熱損耗。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，如若我們采用的材料在熱損耗上較低，那就能夠完成降低熱量的這一根本目標(biāo)。當(dāng)然，對(duì)于轉(zhuǎn)子損耗的減少，主要是增大定轉(zhuǎn)子之間的氣隙。

2.3 永磁體的充磁方向

針對(duì)這種具體架構(gòu)的永磁電機(jī)磁鋼的充磁形式，通常將其進(jìn)行整體分類，即：平行充磁、徑向充磁以及Halbach陣列結(jié)構(gòu)幾種類別。在一個(gè)高速永磁電機(jī)之中，永磁體的充磁方式也是不相同的，這也決定了電機(jī)在電磁性能上也存在著很大的差異。而本文的闡述主要就是建立在對(duì)徑向充磁和平行充磁這兩種不同方式之間的對(duì)比，我們嘗試了對(duì)不同電機(jī)之間的電磁性能實(shí)現(xiàn)完整的對(duì)比，伴隨著永磁體內(nèi)磁密。另一方面，在平行充磁的方式下，氣隙的磁密會(huì)明顯地高出徑向充磁，且可以保持磁密為正弦，這是由于基波的高分量，諧波的少分量決定的；而此時(shí)的徑向充磁磁密分布實(shí)際上是接近于方波的，其基波的分量少了很多。而對(duì)于高速電機(jī)而言，降低氣隙磁密空間的高次諧波分量是非常重要的，尤其是其本身也可以起到減小定子鐵心中的附加損耗和轉(zhuǎn)子內(nèi)的渦流損耗的效果，最終達(dá)到提高電機(jī)整體效率的根本目的。

3 Maxwell 3D仿真分析

以現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)人員以及大量相關(guān)參考文獻(xiàn)來(lái)看，在高速永磁電機(jī)的電磁場(chǎng)分析上，普遍采用二維電磁場(chǎng)的形式完成計(jì)算模型，假使我們?cè)诜治鲇?jì)算中采用Maxwell二維模型有限元，就極有可能忽略掉原有磁場(chǎng)強(qiáng)度所帶來(lái)的影響。這時(shí)，如果這個(gè)定轉(zhuǎn)子的電流只存在軸向分量，那么它的計(jì)算精度一定是不夠的。實(shí)際上，對(duì)于上文中提及的高速永磁電機(jī)來(lái)講，其氣隙的數(shù)值非常重要，在實(shí)際檢測(cè)中，我們發(fā)現(xiàn)它的數(shù)值達(dá)到5 mm之多，這個(gè)時(shí)候它的端部漏磁就很有可能造成麻煩，這個(gè)時(shí)候，在充分考慮到電機(jī)端部結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能可能造成影響的同時(shí)，最終進(jìn)一步完成對(duì)電機(jī)整體電磁特性的仿真性分析。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者結(jié)合個(gè)人實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)空壓機(jī)用高速電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行粗淺的分析，由此得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：首先，我們?cè)陔姍C(jī)結(jié)構(gòu)形式的確定上要考慮其功能需求，在進(jìn)一步確定轉(zhuǎn)子表貼式的永磁電機(jī)的情況；其次，我們可以通過(guò)Ansoft系統(tǒng)的特性完成電機(jī)的仿真建模分析；再次，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到氣隙這一數(shù)值的重要意義，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)應(yīng)選擇的合適氣隙數(shù)值為5 mm；最后，通過(guò)不同永磁體充磁方式下電機(jī)性能的變化的對(duì)比，以減小損耗、提高效率作為最終目的，充分考率了對(duì)于改善電壓波形等方面的意見(jiàn)，得出了應(yīng)該適用平行充磁的方式。

［1］楊啟超，李連生，趙遠(yuǎn)揚(yáng).燃料電池供氣系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀［J］.通用機(jī)械，2008，(01)：77-78.

［2］黃允凱，余莉，胡虔生.高速永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題［J］.微電機(jī)(伺服技術(shù))，2006，(08)：34-36.

Electromagnetic Structure Design and Simulation Analysis of air Compressor With High Speed Motor

ZHAO Xi-liang
(Jiamusi Electric Machine CO.,LTD,Jiamusi 154002,China)

In this paper is summarized the electromagnetic structure of the motor,and the electromagnetic structure of the air compressor and the 3D Maxwell simulation are analyzed.

High speed motor;Electromagnetic structure;Simulation analysis

TM302

B

1674-8646（2015）09-0032-02

2015-08-14