空壓機用高速電機電磁結構設計與仿真分析

趙喜良

（佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002）

空壓機用高速電機電磁結構設計與仿真分析

趙喜良

（佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002）

概述了電機電磁結構，對空壓機用高速電機電磁結構和Maxwell 3D仿真設計進行分析。

高速電機；電磁結構；仿真分析

車用燃料電池系統作為目前在能源領域中備受人們關注的新能源，已成為眾多科研部門研究的重點。一個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部分。在這里，空氣壓縮機是為其提供氣體的關鍵設備，我們也可以將其理解為燃料電池系統之中最為核心的部件之一，這是因為其性能直接決定了燃料電池的運行效率。而且，我們知道在燃料電池系統中，其空壓機還必須具備體積小、質量輕、功耗小等要求。所以，做好空壓機的部件設計問題就顯得至關重要，正因如此，高速驅動電機勢必會成為我們在空壓機設計上的首選。

1 電機電磁結構概述

高速電機有很多種不同的結構形式，通過對比不難發現，在這之中要數永磁電機的效率最為優良，當然其在完成高速運行的時候優點也最為明顯。從另一方面來看，考慮到基本的定子開槽結構留出的有效氣隙太小，也會造成空載氣隙磁場變大的效果，實際上是便于機械加工的，當然，考慮到這其實可以出現更高的轉速，所以可以定子開槽，在初始狀態下的高速電機，其基本參數為：額定功率12kW，額定轉速50 000 r/min。

2 對空壓機用高速電機電磁結構的設計分析

2.1 定子結構

在選擇定子槽數的時候，可以選擇二十四槽和三十六槽兩種，同時對這兩種類型完成需要的仿真計算，最后在使用電磁特性來完成篩選，以決定何者是最優的設計。當然在這種情形下，也可以采用雙層繞組來試圖減少端部的整體長度，以此達到降低轉矩脈動的實際效果。因此，我們在確定定子結構時，需要考量整體的損耗以及散熱等重點問題。在條件允許的情況下盡可能選擇損耗更低的那一種。而事實上我們通過分析現有條件，可以計算出二十四槽定子結構的每導體平均散熱面積為51.1 mm，三十六槽定子結構的每導體平均散熱面積為89 mm，這個數據實際上比二十四槽大40%之多。

2.2 轉子結構

所謂的氣隙，就是電機定子與轉子間在實際中存在的空間縫隙。這個“距離”的數值實際上會對電機的運行起到至關重要的作用，甚至直接對制造工藝產生實際的影響。如果氣隙的數值過大，會降低電機零部件裝配的精準度；同理，如果這個數值過小也不行，因為這很可能會導致定轉子發生掃膛，同時考慮到附加損耗的增加問題，也會發生電機整體效率降低的問題，會使得氣隙變得更加不均勻，造成不必要的熱損耗。所以，在實際設計與制造過程中，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。當然，對于轉子損耗的減少，主要是增大定轉子之間的氣隙。

2.3 永磁體的充磁方向

針對這種具體架構的永磁電機磁鋼的充磁形式，通常將其進行整體分類，即：平行充磁、徑向充磁以及Halbach陣列結構幾種類別。在一個高速永磁電機之中，永磁體的充磁方式也是不相同的，這也決定了電機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徑向充磁和平行充磁這兩種不同方式之間的對比，我們嘗試了對不同電機之間的電磁性能實現完整的對比，伴隨著永磁體內磁密。另一方面，在平行充磁的方式下，氣隙的磁密會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；而此時的徑向充磁磁密分布實際上是接近于方波的，其基波的分量少了很多。而對于高速電機而言，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子內的渦流損耗的效果，最終達到提高電機整體效率的根本目的。

3 Maxwell 3D仿真分析

以現階段行業內人員以及大量相關參考文獻來看，在高速永磁電機的電磁場分析上，普遍采用二維電磁場的形式完成計算模型，假使我們在分析計算中采用Maxwell二維模型有限元，就極有可能忽略掉原有磁場強度所帶來的影響。這時，如果這個定轉子的電流只存在軸向分量，那么它的計算精度一定是不夠的。實際上，對于上文中提及的高速永磁電機來講，其氣隙的數值非常重要，在實際檢測中，我們發現它的數值達到5 mm之多，這個時候它的端部漏磁就很有可能造成麻煩，這個時候，在充分考慮到電機端部結構對電機性能可能造成影響的同時，最終進一步完成對電機整體電磁特性的仿真性分析。

4 結語

筆者結合個人實踐工作經驗對空壓機用高速電機電磁結構設計進行粗淺的分析，由此得到了以下幾點結論：首先，我們在電機結構形式的確定上要考慮其功能需求，在進一步確定轉子表貼式的永磁電機的情況；其次，我們可以通過Ansoft系統的特性完成電機的仿真建模分析；再次，通過實驗觀察到氣隙這一數值的重要意義，通過對數據的對比發現應選擇的合適氣隙數值為5 mm；最后，通過不同永磁體充磁方式下電機性能的變化的對比，以減小損耗、提高效率作為最終目的，充分考率了對于改善電壓波形等方面的意見，得出了應該適用平行充磁的方式。

［1］楊啟超，李連生，趙遠揚.燃料電池供氣系統中空氣壓縮機的研發現狀［J］.通用機械，2008，(01)：77-78.

［2］黃允凱，余莉，胡虔生.高速永磁電動機設計的關鍵問題［J］.微電機(伺服技術)，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