李文廣，馮國勝,，賈素梅，張艷明，張 偉

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，石家莊050043；2. 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊050043；3. 河北電機(jī)股份有限公司，石家莊050021)

0 引 言

隨著世界各國對純電動(dòng)車(EV)、混合動(dòng)力車(HEV)、燃料電池車(FCEV)等研究的日趨深入，燃料電池汽車被認(rèn)為是一種極有可能取代普通燃油而成為未來汽車動(dòng)力的主要來源，它提供了一種能滿足乘用車環(huán)境法規(guī)并能降低碳排放量的解決方案。

對于燃料電池系統(tǒng)，通常有離心式、螺桿式和羅茨式壓縮機(jī)，與其他幾種壓縮機(jī)相比，離心式壓縮機(jī)具有緊湊、高效的優(yōu)點(diǎn)，隨著轉(zhuǎn)速升高，效率不斷提高，重量和尺寸則相應(yīng)下降，且不存在摩擦磨損問題，壽命長，尤其適用車載使用。

為實(shí)現(xiàn)葉輪的額定轉(zhuǎn)速并滿足系統(tǒng)對壓縮空氣、系統(tǒng)體積重量的要求，空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能太低，因此研發(fā)高速電機(jī)至關(guān)重要。超高速電機(jī)具有高效、緊湊、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在高速系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，通過提高其轉(zhuǎn)速，在相同的功率水平下，可以使系統(tǒng)變得更小、更輕，因此高速電機(jī)廣泛應(yīng)用在要求結(jié)構(gòu)緊湊、輕量的車輛工程領(lǐng)域。

文獻(xiàn)[1]中完成了額定轉(zhuǎn)速120 000 r/min，額定功率15 kW的永磁同步電機(jī)的研究，滿足定子鐵心損耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗的要求。文獻(xiàn)[2]中，三相開關(guān)磁阻電機(jī)被用于燃料電池汽車系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，壓縮機(jī)最大轉(zhuǎn)速14 000 r/min，對應(yīng)空氣質(zhì)量流量為25 g/s，空氣壓比為2，可應(yīng)用在25kW的燃料電池系統(tǒng)中。博格華納開發(fā)了用于渦輪增壓器的空氣壓縮機(jī)，采用12 kW，額定轉(zhuǎn)速為120 000 r/min的永磁同步電機(jī)[3]。文獻(xiàn)[4]中描述了額定功率10 kW，額定轉(zhuǎn)速75 000 r/min的感應(yīng)電機(jī)的詳細(xì)性能，應(yīng)用在額定功率密度為28 MW/m3電動(dòng)輔助渦輪增壓器中。

本文提出了一種高速離心式空氣壓縮機(jī)用高速電機(jī)的結(jié)構(gòu)方案，氣動(dòng)懸浮軸承為徑向和軸向支撐，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子與葉輪為一體組成轉(zhuǎn)動(dòng)組件，可實(shí)現(xiàn)空氣潤滑、高速電機(jī)的結(jié)合，滿足燃料電池系統(tǒng)的要求。

1 電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

由于空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速很高，為縮減尺寸并提高其動(dòng)力學(xué)特性，采用電機(jī)中置的結(jié)構(gòu)形式，即電機(jī)位于兩徑向軸承之間，葉輪和止推軸承分別位于轉(zhuǎn)子的前端和后端[5-6]。空氣壓縮機(jī)主體中部為電機(jī)組件，電機(jī)前后兩端分別布置兩個(gè)空氣懸浮徑向軸承，轉(zhuǎn)子組件后端布置兩個(gè)止推軸承，離心式葉輪位于前端，對空氣進(jìn)行壓縮，圖1顯示了超高速永磁同步電機(jī)的構(gòu)型。

圖1 離心壓縮機(jī)用高速永磁電機(jī)剖面圖

本設(shè)計(jì)目的為提出一種均衡的妥協(xié)方案，以滿足下列要求：

①額定效率≥85%；

②轉(zhuǎn)速20 000 r/min到100 000 r/min范圍內(nèi)滿足額定功率10 kW；

③額定電壓有效值限制為500 V；

④較低的轉(zhuǎn)子渦流損耗；

⑤轉(zhuǎn)子外徑50 mm(含護(hù)套)；

⑥較短的轉(zhuǎn)子。

對于高轉(zhuǎn)速小功率永磁同步電機(jī)，最佳選擇就是采用三相兩極表貼式結(jié)構(gòu)。初始預(yù)估條件為：Y形接法；磁鋼工作溫度為150℃；繞組溫度為120℃；定子側(cè)采用水冷。

1.2 轉(zhuǎn)子極數(shù)

兩極電機(jī)結(jié)構(gòu)在高轉(zhuǎn)速，小功率永磁同步電機(jī)中較為多見。由于轉(zhuǎn)速要求達(dá)到了最高100 000 r/min，出于驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)頻率的考慮，應(yīng)當(dāng)盡可能減小其基波電頻率。當(dāng)極數(shù)為2時(shí)，電頻率最小，為1666.7Hz。

1.3 定子槽數(shù)

由于分?jǐn)?shù)槽繞組空間諧波含量過高，對于渦流損耗有不利影響，因此采用整數(shù)槽分布式繞組。原則上為了獲得近似正弦的磁動(dòng)勢波形，每極每相定子槽數(shù)應(yīng)當(dāng)越多越好，而考慮到本電機(jī)尺寸方面有嚴(yán)格要求，槽數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致難以下線，因此折中選擇為24，這樣每極每相槽數(shù)為4。為進(jìn)一步削弱空間諧波，本電機(jī)采用跨距為2的雙層繞組。其諧波含量可以通過磁動(dòng)勢波形直觀觀察。

圖2 磁動(dòng)勢波形

由圖2可見，除基波外的各次諧波含量都相當(dāng)?shù)?，即磁?dòng)勢波形正弦程度非常高。

1.4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)要考慮到機(jī)械強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和電磁性能等多種方面。對于高速永磁電機(jī)而言，永磁體承受巨大的離心力，必須采用實(shí)心轉(zhuǎn)子而非疊片，采取護(hù)套方式對永磁體進(jìn)行保護(hù)，永磁體和護(hù)套之間采用過盈配合。為給磁鐵和護(hù)套預(yù)留足夠空間，轉(zhuǎn)子鐵心外徑選取為38 mm，考慮到電磁和機(jī)械性能要求，材料選取為德標(biāo)1.4122不銹鋼。電機(jī)軸向長度一方面要考慮到電磁性能，而另一方面要考慮到轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性。轉(zhuǎn)子鐵心部分長徑比按經(jīng)驗(yàn)取為3，軸向長度110 mm。

1.5 永磁體材料

常規(guī)電機(jī)的氣隙磁密一般控制在1 T左右，然而本電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)100 000 r/min，為控制定子鐵耗則氣隙磁密要盡可能低。為了減小周向上的應(yīng)力差，同時(shí)提高轉(zhuǎn)矩密度，表貼式磁鋼的極覆蓋率設(shè)定為1。磁鋼高度選定為4 mm，其上覆蓋有2 mm厚碳纖維護(hù)套，磁鋼材料選取為耐高溫的釤鈷稀土磁鋼，牌號(hào)為BMS-22，其在150℃時(shí)剩磁密度為0.9 T，磁鋼的磁化方向?yàn)閺较颉?/p>

1.6 定子沖片

定子沖片外形的選擇主要考慮到在盡可能減小外徑的情況下降低鐵耗，且同時(shí)給繞組留有足夠的空間。基于此，齒寬3 mm，軛高為11.5 mm。原則上槽開口應(yīng)越小越好，而為了保證嵌線操作，槽開口選取為2 mm，槽開口高度選取為1 mm，人為使槽口漏感增大而增強(qiáng)電流濾波效果。定子沖片材料預(yù)選取為M250-35A。

1.7 定子線圈

為使電壓得到充分利用，繞組匝數(shù)應(yīng)該選取使得在80 000 r/min附近達(dá)到電壓限制，100 000 r/min需要進(jìn)行弱磁。繞組的并聯(lián)支路數(shù)取2，繞組匝數(shù)為8。根據(jù)槽滿率進(jìn)行估計(jì)，每股導(dǎo)線由28根0.315 mm直徑銅線并繞斜扭而成。

電機(jī)的橫截面如圖3所示。

圖3 電機(jī)橫截面

上述電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

2 電磁特性仿真

基于以上設(shè)計(jì)結(jié)果采用Maxwell進(jìn)行有限元建模(應(yīng)用周期邊界條件)?？蛰d時(shí)磁力線如圖4所示。由于磁鋼采用徑向磁化方式，可以看出從磁鋼向外呈放射狀分布的磁力線。

圖4 空載時(shí)磁力線

圖5 20 000 r/min 10 kW負(fù)載磁力線

對比負(fù)載圖4與空載圖5下的磁力線，定子側(cè)電流造成的磁場偏轉(zhuǎn)明顯可見。10 kW輸出功率下，100 000 r/min時(shí)的定子電流明顯小于20 000 r/min時(shí)，因此電流對磁力線的作用也不明顯，如圖6所示。

圖6 100 000 r/min 10 kW負(fù)載磁力線

若采用平行極化，則氣隙磁密基本為正弦分布(忽略開槽影響)。但是此時(shí)會(huì)有基波分量較低的問題，不適合充分利用磁鋼。圖7中可看出基波分量為0.45 T。

圖7 平行極化下的氣隙磁密

而采用徑向磁化時(shí)，氣隙磁密分布近似于方波，因此可以使基波幅值進(jìn)一步升高。本設(shè)計(jì)中氣隙磁密基波幅值為0.53 T，明顯優(yōu)于平行磁化方式，如圖8所示。

圖8 徑向極化下的氣隙磁密

通過有限元仿真可以得到空載狀態(tài)下的磁密分布如圖9所示。觀察氣隙磁密沿圓周一圈的分布，可以看出因?yàn)闅庀遁^大且磁鋼剩磁較低，電機(jī)磁密保持在較低水平。

圖9 空載狀態(tài)下的磁密分布

仿真中將電流激勵(lì)設(shè)置為0，得到三相反電勢的波形。在100 000 r/min下，一周期內(nèi)的反電勢波形和傅里葉分解結(jié)果如圖10所示。

可知相間電壓有效值為535 V，與預(yù)期一致，且略大于500 V電壓限制，符合設(shè)計(jì)要求。除了基波之外，反電勢波形中還含有一部分3次諧波，這部分諧波是由徑向磁化的磁鋼引起。同樣，齒槽轉(zhuǎn)矩也可在空載狀態(tài)下仿真得到。本電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩在一個(gè)電周期內(nèi)隨時(shí)間的波形變化如圖11所示，其幅值與轉(zhuǎn)速無關(guān)[7]。

圖10 反電勢波形和傅里葉分解

圖11 齒槽轉(zhuǎn)矩和傅里葉分解

圖11中可看出結(jié)果中包含一個(gè)由數(shù)值誤差導(dǎo)致的常數(shù)項(xiàng)，約為2.1 Nm。齒槽轉(zhuǎn)矩由定子開槽導(dǎo)致，從波形中可以明顯看出齒槽轉(zhuǎn)矩次數(shù)為24次，和槽數(shù)一致，且幅值為19 Nm?？紤]100 000 r/min時(shí)要求轉(zhuǎn)矩為0.955 Nm，齒槽轉(zhuǎn)矩的占比僅為2%，已經(jīng)在合理范圍。如果還有進(jìn)一步削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的需要，可以考慮設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子斜極或定子斜槽，同時(shí)進(jìn)一步縮小開槽寬度。而實(shí)際上在負(fù)載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的產(chǎn)生不僅有齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，還有磁動(dòng)勢諧波和氣隙磁場諧波共同作用產(chǎn)生的部分[8]。

3 轉(zhuǎn)子損耗分析與優(yōu)化

3.1 轉(zhuǎn)子渦流損耗分析

在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，磁鋼和實(shí)心轉(zhuǎn)子都會(huì)感應(yīng)出渦流帶來額外的轉(zhuǎn)子損耗。對于高速電機(jī)，轉(zhuǎn)子溫度過高可能導(dǎo)致磁鋼不可逆失磁及護(hù)套損壞等嚴(yán)重影響，仿真中必須要把這部分損耗考慮在內(nèi)?？紤]到轉(zhuǎn)子損耗產(chǎn)生的三個(gè)因素：①定子側(cè)電流基波感應(yīng)的磁動(dòng)勢非正弦；②定子側(cè)電流波形含高頻諧波；③定子開槽影響[9]。第1點(diǎn)在前面的分析中已經(jīng)證明，本電機(jī)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢分布正弦程度相當(dāng)高，因此這部分損耗理論上應(yīng)該非常小?？紤]到濾波器的應(yīng)用，大多數(shù)高速電機(jī)的輸入電流要么諧波成分非常低，要么其諧波主要在低頻下，因此第2點(diǎn)所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子損耗基本可以忽略。綜上，本電機(jī)設(shè)計(jì)中由于第3點(diǎn)所導(dǎo)致的損耗可能占主導(dǎo)。

為使有限元仿真在盡可能準(zhǔn)確，同時(shí)減少計(jì)算用時(shí)，仿真所用的網(wǎng)格在磁鋼和轉(zhuǎn)子鐵心部分剖分更為細(xì)致，仿真時(shí)間步長也大幅減小，而把各材料磁導(dǎo)率參數(shù)改為線性。在100 000 r/min下，空載時(shí)感應(yīng)電流密度如圖所示。圖12中渦流的周期性分布和集膚效應(yīng)清晰可見。在100 000 r/min空載工況下，轉(zhuǎn)子損耗的周期平均值為2.3 W，這部分損耗僅由上面提到的第3點(diǎn)產(chǎn)生。

圖12 空載時(shí)感應(yīng)電流密度

負(fù)載工況下，如10 kW 10 000 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子損耗的周期平均值為2.7 W，這部分損耗由上文的第1點(diǎn)和第3點(diǎn)共同作用產(chǎn)生，此時(shí)的感應(yīng)電流密度如圖13所示，由此可以驗(yàn)證前面三個(gè)因素的分析。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，3 W左右的轉(zhuǎn)子損耗不會(huì)造成明顯負(fù)面影響。

圖13 負(fù)載下感應(yīng)電流密度

3.2 不同繞組下的渦流損耗分析

初始設(shè)計(jì)時(shí)就盡量減少了磁動(dòng)勢諧波水平，本電機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下由定子電流基波引起的渦流損耗非常小?，F(xiàn)在考慮另外3種不同繞組，其諧波含量和本設(shè)計(jì)方案均不相同，如表2所示。

表2 不同繞組方案下電流

表2中同時(shí)給出了各方案在10 kW，80 000 r/min下的電流?？紤]到基波繞組系數(shù)不同，各方案的電流也有細(xì)微差別，而各方案的磁動(dòng)勢諧波水平可以從圖14中看出。

圖14 各繞組方案磁動(dòng)勢諧波含量

可以直觀地從圖14中看出，A方案的諧波含量最高，其5次、7次和17次、19次諧波相對于其它方案明顯過高。而B、C方案雖然比A方案的諧波含量少，但由于11次、13次為其齒諧波，無法得到良好抑制。D方案即本設(shè)計(jì)應(yīng)用的方案，效果明顯優(yōu)于其它三種方案，相比之下各諧波含量基本可以忽略不記[10]。

根據(jù)上表中的繞組方案和電流進(jìn)行仿真，結(jié)果也與上述分析一致，如表3所示。

表3 各繞組方案的渦流損耗

由于仿真中假設(shè)輸入電流為正弦信號(hào)，仿真值稍小于實(shí)際值。方案A至方案D，諧波含量逐步降低，其渦流損耗也對應(yīng)大幅降低。盡管方案D的基波繞組系數(shù)較低，需要略大的電流，其渦流損耗僅為方案A的3%。

4 工作點(diǎn)仿真分析

分別考慮轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，80 000 r/min和100 000 r/min下的三個(gè)工作點(diǎn)，額定功率為10 kW， 相間最大電壓有效值為500 V，各工作點(diǎn)下的運(yùn)行參數(shù)如表4所示。

表4 各工作點(diǎn)下性能參數(shù)

在各工作點(diǎn)中，最高的電流密度為12.5 A/mm2，在小型水冷電機(jī)中是一個(gè)較為合適的取值。如果對于繞組溫升有額外要求，可以對定子進(jìn)行灌封以獲得較好的導(dǎo)熱性能。

本設(shè)計(jì)為了達(dá)成非常寬的工作區(qū)間必然會(huì)進(jìn)行一些妥協(xié)，可以看出從20 000 r/min到100 000 r/min過程中鐵耗大幅上升，而銅耗減小到可忽略。表貼式永磁電機(jī)難于弱磁擴(kuò)速的特性也能明顯看出，在80 000 r/min時(shí)尚不需要弱磁，而在100 000 r/min時(shí)已經(jīng)需要提供提前角為43.2°的電流，即此時(shí)d軸電流近似等于q軸電流。這樣一來，電流提前角必然會(huì)很快趨近于90°，以至于轉(zhuǎn)速無法得到進(jìn)一步提高，這對于電機(jī)控制來說也是很大的挑戰(zhàn)。

功率因數(shù)大體上維持在較高的區(qū)間，而在最高轉(zhuǎn)速100 000 r/min下功率因數(shù)較低是可以接受的，這也是出于電流提前角較大的原因。

由于齒槽轉(zhuǎn)矩較小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)總體也維持在較低的水平。本設(shè)計(jì)中采用的兩極徑向磁化方案雖然有利于提高整體功率密度，但氣隙磁密的諧波含量相比于平行磁化也大幅提高。如果對轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有嚴(yán)格要求的話，應(yīng)當(dāng)采用平行磁化的磁瓦，但此時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致整體體積的上升。

5 結(jié) 語

本文介紹了最高轉(zhuǎn)速為100 000 r/min，額定功率10 kW的空氣壓縮機(jī)用超高速電機(jī)，電機(jī)采用非接觸式的空氣軸承對轉(zhuǎn)子進(jìn)行支撐，永磁體外部采用碳纖維包覆，采用平行充磁，考慮定子鐵心損耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗，電機(jī)的電氣設(shè)計(jì)滿足要求，通過電磁性能和損耗的仿真，驗(yàn)證了方案的合理性，對比不同繞組方案下的損耗值，確定了最合理的繞組方案。最后對不同轉(zhuǎn)速下的工作點(diǎn)進(jìn)行分析，各工作點(diǎn)下效率和功率因數(shù)都較高。