氢燃料电池用高速永磁同步电机性能的数值研究

摘要：在利用Maxwell 方程组推导了高速永磁同步电机的二维电磁场控制方程的基础上，采用Bertotti 铁耗分立模型计算电机铁耗，引入雷诺系数计算风摩损耗，用经典计算公式计算绕组铜耗和涡流损耗，以上损耗值转化为体积生热率施加到电机各发热部件作为温度场分析时的热源，并且考虑材料温变特性和定子非晶合金导热系数各向异性，使用流固耦合法建立了高速永磁电机温升预测模型。依据所建模型进行算例分析，应用Maxwell 软件和Fluent 软件研究了气隙槽宽、槽肩高和气隙长度对电机磁场、温度场的影响，研究表明气隙槽宽对电机磁场影响较小，适当增大气隙槽宽有利于电机散热。

关键词：氢燃料电池；高速永磁同步电机；流固耦合；温度预测；数值研究

中图分类号：TH122 文献标志码：A

氢燃料电池中使用的空压机转速很高（一般超过100 000 r/min），需要一种特殊的高速电机驱动，要求电机具有速度高、结构简单、运行可靠、单位体积输出功率大、质量轻、效率高的优点。高转速的要求对电机的散热、损耗、稳定性等性能提出了挑战。目前国内对高速永磁同步电机的研究仍然处于开发阶段，为此，开展高速永磁同步电机的性能研究和结构优化十分必要。

万德鑫[1] 针对利用有限元计算高速电机转子涡流损耗时间较长的问题，提出了一种解析法与有限元法一并使用的半解析法，并以此为基础研究了结构参数对转子涡流的影响。赵南南等[2] 应用田口法分析了隔磁桥间距、气隙长度、永磁体厚度和宽度对电机体积、转矩脉动及铁耗的影响，从而对高速永磁同步电机的结构进行了优化。赵朝会等[3] 认为极对数存在一个较为合理的值，在该值下气隙磁通密度不仅大， 且电机体积也较小， 其利用有限元分析（FEA）软件讨论了电机电磁场内多个物理量之间的关系，验证了极对数确实存在一个合理值。朱珊等[4]对电机的结构、气隙大小及永磁体的充磁方向进行分析，对比了定子槽数为24 槽和36 槽的高速永磁电机性能。Chen 等[5] 分析了全封闭永磁电机（FEPM）的散热系统，提出了一种双循环冷却结构，优化了电机结构，降低了内部的温度。雷艳华等[6] 基于ANSYS/RMxprt（磁路法）对高速电机电磁性能进行优化，研制了75 kW、30 000 r/min 的大功率高速永磁同步电机。Sulaiman 等[7] 通过改进电枢线圈上槽和下槽之间的间隙宽度， 最终设计的混合励磁磁通开关电机（HEFSM）的功率密度得到有效提升。王雨晴[8] 考察了高频电流引起的趋肤效应、临近效应和环流效应，建立了高速永磁同步电机转子涡流损耗的解析计算模型。卓亮等[9] 考察了转子材料的电导率及其导热系数随温度变化的因素，将精确子域法与等效热网络法相结合，提出了转子涡流损耗的半解析计算模型。陈学永等[10] 基于FEA 的耦合场路法计算了转子损耗，提出了应用在鼓风机所用的高速永磁同步电机上一种新型的转子结构。秦雪飞等[11] 利用计算流体动力学（CFD）研究水冷电机的热性能，实现多物理场设计。Li 等[12] 对电机冷却系统进行参数化建模和多目标优化算法，设计了一种表贴式永磁同步电动机的水油混合冷却系统。Chen 等[13] 将FEA 与二维快速傅里叶变换（2D-FFT）相结合，得到转子中交变磁链密度谐波（FDHs）的交变频率和幅值变化趋势。Zhao 等[14] 提出了一种磁通增强永磁同步电动机（FIPMSM），求解磁路等效（MEC）模型，给出了花瓣形转子、非均匀气隙和其他不规则形状转子的等效磁阻计算方法。Chen 等[15]通过引入电流矢量势，利用变量分离法解析推导了磁体内部的三维涡流分布，进而得到了磁体内部的总涡流损耗。Lubin 等[16]提出了一种基于极坐标下二维拉普拉斯方程和泊松方程的解析子域模型，同时较好地考虑了电枢反应磁场和槽间的相互影响。Mcdonagh 等[17]通过FEniCSx 平台对永磁同步电机进行仿真，实现了系统级多物理场的电机性能仿真。

综上所述，目前对高速电机的研究尚未实现对高速交流稳态电磁场、电机内的空气流场及温度场的综合计算，对高速永磁电机的温升预测还不成熟，尚无法满足氢燃料电池空压机用高速电机的应用需要。为此，本文以高速永磁同步电机为研究对象，对电机电磁场及温度场开展数值研究，为高速电机结构优化方法以及氢燃料电池空压机用高速电机的开发设计提供理论支撑。