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文 | 古迹探骑

编辑 | 古迹探骑

对于燃料电池系统，通常有离心式、螺杆式和罗茨式压缩机，与其他几种压缩机相比，离心式压缩机具有紧凑、高效的优点。

随着转速升高，效率不断提高，重量和尺寸则相应下降，且不存在摩擦磨损问题，寿命长，尤其适用车载使用。

为实现叶轮的额定转速并满足系统对压缩空气、系统体积重量的要求，空气压缩机驱动电机的转速不能太低，因此研发高速电机至关重要。

本文提出了一种高速离心式空气压缩机用高速电机的结构方案，气动悬浮轴承为径向和轴向支撑。

永磁同步电机转子与叶轮为一体组成转动组件，可实现空气润滑、高速电机的结合，满足燃料电池系统的要求。

电机的电磁结构设计

电机结构：

由于空气压缩机转速很高，为缩减尺寸并提高其动力学特性，采用电机中置的结构形式，即电机位于两径向轴承之间，叶轮和止推轴承分别位于转子的前端和后端。

空气压缩机主体中部为电机组件，电机前后两端分别布置两个空气悬浮径向轴承，转子组件后端布置两个止推轴承，离心式叶轮位于前端，对空气进行压缩，图 1 显示了超高速永磁同步电机的构型。

本设计目的为提出一种均衡的妥协方案，以满足下列要求①额定效率 85%②转速 20 000 r/min 到 100 000 r/min 范围内满足额定功率 10 kW③额定电压有效值限制为 500 V④较低的转子涡流损耗⑤转子外径 50 mm 含护套) ;⑥较短的转子。

对于高转速小功率永磁同步电机，最佳选择就是采用三相两极表贴式结构。初始预估条件为 Y形接法磁钢工作温度为150 绕组温度为120 定子侧采用水冷。

转子极数：两极电机结构在高转速，小功率永磁同步电机中较为多见。

由于转速要求达到了最高 100 000r/min，出于驱动电路开关频率的考虑，应当尽可能减小其基波电频率。

当极数为 2 时，电频率最小，为 1666. 7Hz。

定子槽数：

由于分数槽绕组空间谐波含量过高，对于涡流损耗有不利影响，因此采用整数槽分布式绕组。

原则上为了获得近似正弦的磁动势波形，每极每相定子槽数应当越多越好，而考虑到本电机尺寸方面有严格要求，槽数过多会导致难以下线，因此折中选择为 24，这样每极每相槽数为 4。

为进一步削弱空间谐波，本电机采用跨距为 2 的双层绕组。其谐波含量可以通过磁动势波形直观观察。

由图 2 可见，除基波外的各次谐波含量都相当低，即磁动势波形正弦程度非常高。

转子结构

转子的设计要考虑到机械强度、转子动力学和电磁性能等多种方面。

对于高速永磁电机而言，永磁体承受巨大的离心力，必须采用实心转子而非叠片，采取护套方式对永磁体进行保护，永磁体和护套之间采用过盈配合。

为给磁铁和护套预留足够空间，转子铁心外径选取为 38 mm，考虑到电磁和机械性能要求，材料选取为德标 1. 4122 不锈钢。

电机轴向长度一方面要考虑到电磁性能，而另一方面要考虑到转子动力学特性。

转子铁心部分长径比按经验取为 3，轴向长度 110 mm。1. 5 永磁体材料常规电机的气隙磁密一般控制在 1 T 左右，然而本电机转速高达 100 000 r/min，为控制定子铁耗则气隙磁密要尽可能低。

为了减小周向上的应力差，同时提高转矩密度，表贴式磁钢的极覆盖率设定为1。

磁钢高度选定为 4 mm，其上覆盖有 2 mm 厚碳纤维护套，磁钢材料选取为耐高温的钐钴稀土磁钢，牌号为 BMS-2-22，其在 150 时剩磁密度为 0. 9 T，磁钢的磁化方向为径向。

定子冲片定子冲片外形的选择，主要考虑到在尽可能减小外径的情况下降低铁耗，且同时给绕组留有足够的空间。

基于此，齿宽 3 mm，轭高为 11. 5 mm。原则上槽开口应越小越好，而为了保证嵌线操作，槽开口选取为 2 mm，槽开口高度选取为 1 mm，人为使槽口漏感增大而增强电流滤波效果。

定子冲片材料预选取为 M250-3-35A。1. 7 定子线圈为使电压得到充分利用，绕组匝数应该选取使得在80 000 r/min 附近达到电压限制，100 000 r/min需要进行弱磁。

绕组的并联支路数取 2，绕组匝数为 8。根据槽满率进 行估计，每 股 导 线 由 28 根0. 315 mm 直径铜线并绕斜扭而成。

电磁特性仿真

基于以上设计结果采用 Maxwell 进行有限元建模 应用周期边界条件 。空载时磁力线如图 4 所示。

由于磁钢采用径向磁化方式，可以看出从磁钢向外呈放射状分布的磁力线。

对比负载图 4 与空载图 5 下的磁力线，定子侧电流造成的磁场偏转明显可见。

10 kW 输出功率下，100 000 r/min时的定子电流明显小于 20 20 00000 00 r/min 时，因此电流对磁力线的作用也不明显，如图6 所示。

若采用平行极化，则气隙磁密基本为正弦分布忽略开槽影响 。但是此时会有基波分量较低的问题，不适合充分利用磁钢。图 7 中可看出基波分量为 0. 45 T。

而采用径向磁化时，气隙磁密分布近似于方波，因此可以使基波幅值进一步升高。本设计中气隙磁密基波幅值为 0. 53 T，明显优于平行磁化方式，如图 8 所示。

通过有限元仿真可以得到空载状态下的磁密分布如图 9 所示。

观察气隙磁密沿圆周一圈的分布，可以看出因为气隙较大且磁钢剩磁较低，电机磁密保持在较低水平。

仿真中将电流激励设置为 0，得到三相反电势的波形。在 100 000 r/min 下，一周期内的反电势波形和傅里叶分解结果如图 10 所示。

可知相间电压有效值为 535 V，与预期一致，且略大于 500 V 电压限制，符合设计要求。

除了基波之外，反电势波形中还含有一部分 3 次谐波，这部分谐波是由径向磁化的磁钢引起。

同样，齿槽转矩也可在空载状态下仿真得到。本电机齿槽转矩在一个电周期内随时间的波形变化如图 11 所示，其幅值与转速无关。

图 11 中可看出结果中包含一个由数值误差导致的常数项，约为 2. 1 Nm。齿槽转矩由定子开槽导致，从波形中可以明显看出齿槽转矩次数为 24 次，和槽数一致，且幅值为 19 Nm。

考虑 100 000 r/min时要求转矩为 0. 955 Nm，齿槽转矩的占比仅为 2% ，已经在合理范围。如果还有进一步削弱齿槽转矩的需要，可以考虑设计转子斜极或定子斜槽，同时进一步缩小开槽宽度。

而实际上在负载状态下，转矩波动的产生不仅有齿槽转矩的影响，还有磁动势谐波和气隙磁场谐波共同作用产生的部分。

转子损耗分析与优化

在高速旋转状态下，磁钢和实心转子都会感应出涡流带来额外的转子损耗。

对于高速电机，转子温度过高可能导致磁钢不可逆失磁及护套损坏等严重影响，仿真中必须要把这部分损耗考虑在内。

考虑到转子损耗产生的三个因素 ①定子侧电流基波感应的磁动势非正弦 ②定子侧电流波形含高频谐波 ③定子开槽影响。

第 1 点在前面的分析中已经证明，本电机绕组产生的磁动势分布正弦程度相当高，因此这部分损耗理论上应该非常小。

考虑到滤波器的应用，大多数高速电机的输入电流要么谐波成分非常低，要么其谐波主要在低频下，因此第2 点所导致的转子损耗基本可以忽略。

综上，本电机设计中由于第 3 点所导致的损耗可能占主导。

为使有限元仿真在尽可能准确，同时减少计算用时，仿真所用的网格在磁钢和转子铁心部分剖分更为细致，仿真时间步长也大幅减小，而把各材料磁导率参数改为线性。在 100 000 r/min 下，空载时感应电流密度如图所示。

本设计为了达成非常宽的工作区间必然会进行一些妥协，可以看出从 20 000 r/min 到 100 000 r/min 过程中铁耗大幅上升，而铜耗减小到可忽略。

表贴式永磁电机难于弱磁扩速的特性也能明显看出，在80 000 r/min时尚不需要弱磁，而在 100 000 r/min时已经需要提供提前角为 43. 2 的电流，即此时 d 轴电流近似等于 q 轴电流。

这样一来，电流提前角必然会很快趋近于 90 ，以至于转速无法得到进一步提高，这对于电机控制来说也是很大的挑战。

总结

本文介绍了最高转速为 100 000 r/min，额定功率 10 kW 的空气压缩机用超高速电机，电机采用非接触式的空气轴承对转子进行支撑，永磁体外部采用碳纤维包覆，采用平行充磁，考虑定子铁心损耗和转子涡流损耗。

电机的电气设计满足要求，通过电磁性能和损耗的仿真，验证了方案的合理性，对比不同绕组方案下的损耗值，确定了最合理的绕组方案。

最后对不同转速下的工作点进行分析，各工作点下效率和功率因数都较高。

参考文献：

[1] 唐任远．现代永磁电机理论与设计［M］． 北京 机械工业出版社，2016．

[2] 黄磊，朱熀秋．无轴承永磁同步电机研究现状及其发展趋势［J］． 微电机，2019，308 8100-1-104．

[3] 张金平，黄守道，高剑．减小永磁同步电动机电磁转矩脉动方法［J］． 微特电机，2010 1016-1-18．

[4] 舒鑫东，陈进华，张驰，等．基于遗传算法的高速电主轴永磁电机齿槽转矩优化［J］． 微电机，2018，291 332-3-34．

[5] 王秀和． 永磁同步电机［M］． 北京 中国电力出版社，2011．

[6] 刘福贵，杨凯，赵志刚，等．不同层数集中绕组永磁电机转子损耗研究［J］． 微电机，2019，52 106．

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