空压机用高速电机电磁结构设计与仿真分析

赵喜良

（佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002）

空压机用高速电机电磁结构设计与仿真分析

赵喜良

（佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002）

概述了电机电磁结构，对空压机用高速电机电磁结构和Maxwell 3D仿真设计进行分析。

高速电机；电磁结构；仿真分析

车用燃料电池系统作为目前在能源领域中备受人们关注的新能源，已成为众多科研部门研究的重点。一个燃料电池的整体可以涵盖空气、氢气、水热以及燃料电池堆等几个部分。在这里，空气压缩机是为其提供气体的关键设备，我们也可以将其理解为燃料电池系统之中最为核心的部件之一，这是因为其性能直接决定了燃料电池的运行效率。而且，我们知道在燃料电池系统中，其空压机还必须具备体积小、质量轻、功耗小等要求。所以，做好空压机的部件设计问题就显得至关重要，正因如此，高速驱动电机势必会成为我们在空压机设计上的首选。

1 电机电磁结构概述

高速电机有很多种不同的结构形式，通过对比不难发现，在这之中要数永磁电机的效率最为优良，当然其在完成高速运行的时候优点也最为明显。从另一方面来看，考虑到基本的定子开槽结构留出的有效气隙太小，也会造成空载气隙磁场变大的效果，实际上是便于机械加工的，当然，考虑到这其实可以出现更高的转速，所以可以定子开槽，在初始状态下的高速电机，其基本参数为：额定功率12kW，额定转速50 000 r/min。

2 对空压机用高速电机电磁结构的设计分析

2.1 定子结构

在选择定子槽数的时候，可以选择二十四槽和三十六槽两种，同时对这两种类型完成需要的仿真计算，最后在使用电磁特性来完成筛选，以决定何者是最优的设计。当然在这种情形下，也可以采用双层绕组来试图减少端部的整体长度，以此达到降低转矩脉动的实际效果。因此，我们在确定定子结构时，需要考量整体的损耗以及散热等重点问题。在条件允许的情况下尽可能选择损耗更低的那一种。而事实上我们通过分析现有条件，可以计算出二十四槽定子结构的每导体平均散热面积为51.1 mm，三十六槽定子结构的每导体平均散热面积为89 mm，这个数据实际上比二十四槽大40%之多。

2.2 转子结构

所谓的气隙，就是电机定子与转子间在实际中存在的空间缝隙。这个“距离”的数值实际上会对电机的运行起到至关重要的作用，甚至直接对制造工艺产生实际的影响。如果气隙的数值过大，会降低电机零部件装配的精准度；同理，如果这个数值过小也不行，因为这很可能会导致定转子发生扫膛，同时考虑到附加损耗的增加问题，也会发生电机整体效率降低的问题，会使得气隙变得更加不均匀，造成不必要的热损耗。所以，在实际设计与制造过程中，如若我们采用的材料在热损耗上较低，那就能够完成降低热量的这一根本目标。当然，对于转子损耗的减少，主要是增大定转子之间的气隙。

2.3 永磁体的充磁方向

针对这种具体架构的永磁电机磁钢的充磁形式，通常将其进行整体分类，即：平行充磁、径向充磁以及Halbach阵列结构几种类别。在一个高速永磁电机之中，永磁体的充磁方式也是不相同的，这也决定了电机在电磁性能上也存在着很大的差异。而本文的阐述主要就是建立在对径向充磁和平行充磁这两种不同方式之间的对比，我们尝试了对不同电机之间的电磁性能实现完整的对比，伴随着永磁体内磁密。另一方面，在平行充磁的方式下，气隙的磁密会明显地高出径向充磁，且可以保持磁密为正弦，这是由于基波的高分量，谐波的少分量决定的；而此时的径向充磁磁密分布实际上是接近于方波的，其基波的分量少了很多。而对于高速电机而言，降低气隙磁密空间的高次谐波分量是非常重要的，尤其是其本身也可以起到减小定子铁心中的附加损耗和转子内的涡流损耗的效果，最终达到提高电机整体效率的根本目的。

3 Maxwell 3D仿真分析

以现阶段行业内人员以及大量相关参考文献来看，在高速永磁电机的电磁场分析上，普遍采用二维电磁场的形式完成计算模型，假使我们在分析计算中采用Maxwell二维模型有限元，就极有可能忽略掉原有磁场强度所带来的影响。这时，如果这个定转子的电流只存在轴向分量，那么它的计算精度一定是不够的。实际上，对于上文中提及的高速永磁电机来讲，其气隙的数值非常重要，在实际检测中，我们发现它的数值达到5 mm之多，这个时候它的端部漏磁就很有可能造成麻烦，这个时候，在充分考虑到电机端部结构对电机性能可能造成影响的同时，最终进一步完成对电机整体电磁特性的仿真性分析。

4 结语

笔者结合个人实践工作经验对空压机用高速电机电磁结构设计进行粗浅的分析，由此得到了以下几点结论：首先，我们在电机结构形式的确定上要考虑其功能需求，在进一步确定转子表贴式的永磁电机的情况；其次，我们可以通过Ansoft系统的特性完成电机的仿真建模分析；再次，通过实验观察到气隙这一数值的重要意义，通过对数据的对比发现应选择的合适气隙数值为5 mm；最后，通过不同永磁体充磁方式下电机性能的变化的对比，以减小损耗、提高效率作为最终目的，充分考率了对于改善电压波形等方面的意见，得出了应该适用平行充磁的方式。

［1］杨启超，李连生，赵远扬.燃料电池供气系统中空气压缩机的研发现状［J］.通用机械，2008，(01)：77-78.

［2］黄允凯，余莉，胡虔生.高速永磁电动机设计的关键问题［J］.微电机(伺服技术)，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