氫燃料電池用高速永磁同步電機性能的數值研究

摘要：在利用Maxwell 方程組推導了高速永磁同步電機的二維電磁場控制方程的基礎上，采用Bertotti 鐵耗分立模型計算電機鐵耗，引入雷諾系數計算風摩損耗，用經典計算公式計算繞組銅耗和渦流損耗，以上損耗值轉化為體積生熱率施加到電機各發熱部件作為溫度場分析時的熱源，并且考慮材料溫變特性和定子非晶合金導熱系數各向異性，使用流固耦合法建立了高速永磁電機溫升預測模型。依據所建模型進行算例分析，應用Maxwell 軟件和Fluent 軟件研究了氣隙槽寬、槽肩高和氣隙長度對電機磁場、溫度場的影響，研究表明氣隙槽寬對電機磁場影響較小，適當增大氣隙槽寬有利于電機散熱。

關鍵詞：氫燃料電池；高速永磁同步電機；流固耦合；溫度預測；數值研究

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A

氫燃料電池中使用的空壓機轉速很高（一般超過100 000 r/min），需要一種特殊的高速電機驅動，要求電機具有速度高、結構簡單、運行可靠、單位體積輸出功率大、質量輕、效率高的優點。高轉速的要求對電機的散熱、損耗、穩定性等性能提出了挑戰。目前國內對高速永磁同步電機的研究仍然處于開發階段，為此，開展高速永磁同步電機的性能研究和結構優化十分必要。

萬德鑫[1] 針對利用有限元計算高速電機轉子渦流損耗時間較長的問題，提出了一種解析法與有限元法一并使用的半解析法，并以此為基礎研究了結構參數對轉子渦流的影響。趙南南等[2] 應用田口法分析了隔磁橋間距、氣隙長度、永磁體厚度和寬度對電機體積、轉矩脈動及鐵耗的影響，從而對高速永磁同步電機的結構進行了優化。趙朝會等[3] 認為極對數存在一個較為合理的值，在該值下氣隙磁通密度不僅大， 且電機體積也較小， 其利用有限元分析（FEA）軟件討論了電機電磁場內多個物理量之間的關系，驗證了極對數確實存在一個合理值。朱珊等[4]對電機的結構、氣隙大小及永磁體的充磁方向進行分析，對比了定子槽數為24 槽和36 槽的高速永磁電機性能。Chen 等[5] 分析了全封閉永磁電機（FEPM）的散熱系統，提出了一種雙循環冷卻結構，優化了電機結構，降低了內部的溫度。雷艷華等[6] 基于ANSYS/RMxprt（磁路法）對高速電機電磁性能進行優化，研制了75 kW、30 000 r/min 的大功率高速永磁同步電機。Sulaiman 等[7] 通過改進電樞線圈上槽和下槽之間的間隙寬度， 最終設計的混合勵磁磁通開關電機（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、臨近效應和環流效應，建立了高速永磁同步電機轉子渦流損耗的解析計算模型。卓亮等[9] 考察了轉子材料的電導率及其導熱系數隨溫度變化的因素，將精確子域法與等效熱網絡法相結合，提出了轉子渦流損耗的半解析計算模型。陳學永等[10] 基于FEA 的耦合場路法計算了轉子損耗，提出了應用在鼓風機所用的高速永磁同步電機上一種新型的轉子結構。秦雪飛等[11] 利用計算流體動力學（CFD）研究水冷電機的熱性能，實現多物理場設計。Li 等[12] 對電機冷卻系統進行參數化建模和多目標優化算法，設計了一種表貼式永磁同步電動機的水油混合冷卻系統。Chen 等[13] 將FEA 與二維快速傅里葉變換（2D-FFT）相結合，得到轉子中交變磁鏈密度諧波（FDHs）的交變頻率和幅值變化趨勢。Zhao 等[14] 提出了一種磁通增強永磁同步電動機（FIPMSM），求解磁路等效（MEC）模型，給出了花瓣形轉子、非均勻氣隙和其他不規則形狀轉子的等效磁阻計算方法。Chen 等[15]通過引入電流矢量勢，利用變量分離法解析推導了磁體內部的三維渦流分布，進而得到了磁體內部的總渦流損耗。Lubin 等[16]提出了一種基于極坐標下二維拉普拉斯方程和泊松方程的解析子域模型，同時較好地考慮了電樞反應磁場和槽間的相互影響。Mcdonagh 等[17]通過FEniCSx 平臺對永磁同步電機進行仿真，實現了系統級多物理場的電機性能仿真。

綜上所述，目前對高速電機的研究尚未實現對高速交流穩態電磁場、電機內的空氣流場及溫度場的綜合計算，對高速永磁電機的溫升預測還不成熟，尚無法滿足氫燃料電池空壓機用高速電機的應用需要。為此，本文以高速永磁同步電機為研究對象，對電機電磁場及溫度場開展數值研究，為高速電機結構優化方法以及氫燃料電池空壓機用高速電機的開發設計提供理論支撐。