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空压机用高速电机电磁布局设想与仿真阐发

文章出处:admin 人气:发表时间:2018-09-03 07:03

  Research.DeveIoDmentl空压机用高速电机电磁布局设想与仿真阐发 Electromagnetic Design粕d SiIIllllation Analysis HighSpeed Motor Used Compressor朱珊王心坚 章桐(同济大学汽车学院新能源汽车工程核心,上海201804) 摘要:针对燃料电池系统之供气子系统中的环节部件压缩机所利用的高速电机的布局设想和机能阐发 展开研究,完成合适使用要求的最优设想。针对具体空压机的使用,对比各类分歧类型的电机,设想一款永磁 同步高速电机。按照具体需求,确定电机设想方案,并在此根本上使用Ansoft软件完成对电机的建模;确定永 磁同步电机的定转子布局以及气隙大小、永磁体充磁等具体参数,使其初步满足机能要求。然后对所得模子 进行电磁特征无限元仿真,按照仿真成果不竭优化电机布局。最初,针对所设想的高速电机气隙较大这一特 点,通过RMxpn和Maxweu三维仿真计较对电机的端部漏磁环境做较为简单的成果阐发。成果表白,电机端 部的电磁特征简直发生了变化。 环节词:高速电机电磁布局三维仿线/i.cnkiissn.1007—080x.2015.01.003 Abstract:This paper carries out studies aiming stnlcturedesign perfbmanceanalysis highspeed motor used compressor,thekey pan gassupply subsystem fhelcell system. An optimal design adapted applicationdemands completed.Through differenttypes deter—mined designapemanent magnet synchmnous high speed motor aircompressor. According specificrequirements amotor design scheme motormodeling usingAnsoft. First,the stator rotorstmcture pe瑚anentsynchronous motor specificparameters,such statorslot type,air g印size permanentmagnet magnetization,which preliminari— ly satisfied pedb珊ancerequirements. In end,thefinite element simulation model’selectromagnetic cha卜 acteristics simulationresults motorstructure optimized.Finally,in view highspeed motor’s characteristic“big air gap analyzed leakagenux motoTend Maxwell3Dsimulation. Results show electromagneticpropenies motorend change indeed. Key words:high—speed motor electromagnetic stmcture 3Dsimulation 作者简介:朱珊1989年生,女,硕士研究生。研究标的目的为高速电机电磁布局设想。 王心坚1972年生,博士,讲师。研究标的目的为新能源汽车电机驱动及节制。 章桐1960年生,传授,博士生导师。研究标的目的为整车集成设想及新能源汽车动力系统。 2015.01 f机电一体化13 万方数据 空压机用高速电机电磁布局设想与仿线引言车用燃料电池系统在新能源汽车范畴曾经成为 一个研究热点。燃料电池系统次要包罗空气系统、氢 气系统、水热系统以及燃料电池堆。空气压缩机作为 其供气系统的环节设备,是燃料电池系统的焦点部件 之一,其机能间接影响燃料电池系统的效率、紧凑 度、空气加湿机能。燃料电池系统中的空压机必需满 足无油、小型、高压、低噪和耗功少的要求,而作为空 压机的焦点部件驱动电机的设想是实现这些要求的 根基前提,也是空压机设想的一个手艺难点。为了在 体积小、质量轻、功耗小的前提下供给高压气体,高速 驱动电机是空压机的首选。本文在高速电机的布局 和机能阐发的根本上,提出了优化设想方案。 1电机电磁布局设想 高速电机有多种布局形式,通过对比阐发,此中 永磁电机的功率密度和效率最好,高速运转时的长处 较着。其定子开槽布局无效气隙小,华夏彩票娱乐空载气隙磁场 大,便于机械加工;带碳纤维护套的外置式转子适合 更高的机械压力,答应更高的转速:因而定子开槽,转 子表贴式的永磁同步电机是较好的选择旧’31。如图1 所示。 永磁同步电机布局示企图针对具体空压机的使用对高速电机提出的最后 要求是额定功率为12kw,额定转速为50 000r/min, 额定转矩为2.5N m,峰值功率为24kW,峰值转矩为 5N m,转矩脉动要尽可能小。 1.1 定子布局 定子槽数初步选择24槽和36槽,两品种型同时 进行仿真计较,最初通过电磁特征的比力,选择最优 设想。采用双层绕组能够减小端部长度,而且降低转 14机电~体化l15.01 矩脉动。24槽和36槽均采用短距绕组,即节距小于 极距,导线线径采用了两个较常用的型号。定子部门 的初始设想数据如表1所示。 表1电机布局设想参数 变量 数值 变量 数值 极对数 2绕组节距 7,5 定子外径/mm 妒112 并联歧路数 4定子槽数 24,36 绕组层数 2定子轭高/mm 11 绕组端部长度/mm 20~27 定子槽深/mm 22 转子外径/m 庐42 平行齿齿宽/mm 3永磁体厚度/mm 4对于定子布局简直定次要从损耗、散热以及转矩 脉动的角度展开阐发。在前提答应的环境下尽量选 择损耗小、每导体平均散热面积大以及转矩脉动小的 定子布局。下面次要针对24槽和36槽两种定子结 构展开对比阐发。 按照已知前提通过计较能够获得24槽定子布局 的每导体平均散热面积为51.1 mm2,而36槽定子结 构的每导体平均散热面积为89 mm2,比24槽大40% 之多。不考虑热负荷的话,仅从散热面积的角度来 看,36槽定子布局较着优于24槽。 1.1.1 总铜损以及平均槽面积上的热负荷比力 计较铜损的公式为 式中,三为每相绕组的无效长度;r为铜导线Q/km。 每相绕组的无效长度的计较公式为 £=f+£l+L2; Z式中,z为定子槽的轴向长度;£。为绕线m;£:为导线在每槽端部的跨距;rm为定子槽中 部的半径;r为绕组的跨距;=为槽数。 万方数据 平均槽面积上的热负荷计较公式为 Dp=挚。 zo槽式中,|s槽为定子槽的概况积。 为了便于比力,取不异转矩即2.8N m时,分歧 定子槽布局的铜损及单元槽面积的热负荷。计较结 果如表2所示。 表2分歧定子类型的损耗对比 通过表2对比发觉,36槽的定子布局比24槽的 每导体的平均散热面积要大;在发生不异转矩的环境 下,虽然24槽的电流密度变小,但36槽的总铜损耗 更小为17.13w,平均槽面积上的热负荷与24槽比拟 约为其一半,意味着24槽导体接触面上温升要比36 槽大得多:分析从散热的角度出发,36槽的定子布局 优于24槽。 1.1.2 转矩脉动的比力 当电流密度为5A/m2时,仿线槽的转矩平均值能够达到3.46N m,36槽 的转矩平均值能够达到2.8N 由图2、图3可看出,24槽定子布局的转矩脉动达到0.03N m,而36槽定子布局的转矩脉动约为 O.02 m。24槽的转矩平均值比力大,36槽的转矩脉动较小,而且由上图能够间接看出36槽的定子结 构比24槽的转矩波动更小,也就意味着36槽的电机 运转起来会更平稳。 从每导体平均散热面积、总铜损、平均槽面积的 热负荷以及转矩脉动的大小来说,36槽的定子布局 都是优于24槽的;可是36槽与24槽比拟要在同样 的面积加工更多的槽,对加工工艺的要求会很大,而 且难度更大,本设想中的36槽定子布局的槽启齿仅 1.2mm:所以理论上最优的选择为36槽定子布局,但 争匿鼎辩拿圣埭婢Research.DeveIopment 36根定子布局的电机转矩最终样机的加工还必需考虑加工工艺能否可以或许实现。 1.2 转子布局 1.2.1 气隙大小对高速电机机能的影响 气隙是指电机定子和转子间的空地。气隙大小 对电机机能及制造工艺有很大的影响。气隙大,磁阻 大,电机功率因数降低;但气隙大使谐波磁场削弱,电 机的附加损耗降低。气隙过大,对电机零部件的同轴 度及拆卸精度的要求降低;气隙过小,则容易惹起定 转子扫膛,以及因为附加损耗添加而使电机效率降 低;气隙不服均,会使转子发生磁拉力,发生不均衡 振动‘4'51。 高速永磁同步电机与其他保守中低速电机布局 的最大区别就是气隙比力大。保守电机为了增大气 隙磁密,减小漏磁,提高转矩,一般城市采用较小的气 隙,直径200mm的定子气隙宽度只要1mm摆布。而 2015.01 I机电一体化15 万方数据 空压机用高速电机电磁布局设想与仿真阐发 高速电机在定子直径只要100mm摆布的环境下,气 隙达到5mm摆布,次要是为了降低电机热损耗,由于 电机的损耗次要由定子铁损、转子的涡流损耗和磁滞 损耗形成。采用铁损低的材料能够降低定子的产热 量,而转子损耗次要为涡流损耗和磁滞损耗,其涡流 损耗次要由定子谐波发生。为降低其损耗,增大定转 子之间的气隙,能够降低因为定子齿槽发生的谐波对 转子的影响。 别离采用分歧的气隙大小,即3mm,4mm,5mm和 6mm进行仿真,获得分歧的转矩成果。如图4所示。 VV:V八厂\ O0.1O.2 O.3 O.4 O.5 0.6 0.7 0.8 O.9 1图4分歧气隙大小时电机的转矩分布 16机电一体化l 2015.01 从图4能够看出跟着气隙的增大,电机转矩会随 之减小;可是图4显示,气隙较小时,对应的转矩脉动 很大,当气隙为3mm时转矩脉动最大,并且比起气隙 为6mm的波形发抖严峻,呈现了次波峰。 表3分歧气隙大小时的电机转矩 表3显示跟着气隙的增大,转矩脉动随之变小, 所占比例也变小,所以跟着气隙的增大,定子齿槽产 生的谐波对转子的影响确实变小了;可是气隙太大会 形成转矩的下降以及端部漏磁的加大,所以最终选择 气隙为5mm:此时就能够在满足转矩要求的环境下转 矩脉动只要0.66%。 1.2.2永磁体的充磁标的目的 对于该种布局的永磁电机磁钢的充磁形式大体 可分为平行充磁、径向充磁、Halbach阵列布局。在高 速永磁电机中,永磁体的充磁体例分歧,电机电磁性 能也不不异。本文在径向充磁和平行充磁两种体例 下对电机的电磁机能进行了比力。两种充磁体例相 应电机空载时的磁力线所示。 a平行充磁 b径向充磁 两种充磁体例下的磁场分布从图5中能够看出,b图径向充磁的体例下,极间 漏磁大,而且在永磁体内磁密分布不服均,永磁体外 圆磁密最小并向内逐步增大,跟着永磁体厚度的增 2222222222万方数据 iii面面面赢磊函函丽蕊丽丽函磊赢聂磊赢磊磊蕊磊磊磊赢丽丽磊磊磊磊丽磊磊函面丽磊赢鬲面西五丽丽蕊ii面Research.DeveIopment l加,永磁体内磁密的这种差距会增大,最初导致永磁 体局部饱和,降低永磁体的操纵率。a图所示的平行 充磁与b图比拟,极间漏磁较小,沿齿顶闭合的磁力 线也较少,永磁体操纵率较着增大。 从图6看出,平行充磁体例下的气隙磁密较着高 于径向充磁,并且磁密分布较为正弦,基波分量高,谐 波分量较少;径向充磁磁密分布接近方波,基波分量 相对小一些。由图7可知,平行充磁时的转矩约为 3N m,高于径向充磁体例下的转矩,且转矩脉动也 相对较小。平行充磁体例下谐波小的这一长处,对高 速电机很是主要,由于降低气隙磁密的空间高次谐波 分量能够减小定子铁心中的附加损耗和转子内的涡 流损耗,进而提高电机效率。 600 550 500 毫450 嚣400 挺350 300 250 200 /\j、7\051015 20 25 30 35 40 d/lnm 加载时两种分歧充磁体例下的转矩因为两种充磁体例下电机气隙磁密的不同,电机 响应的反电动势也有差别。图8为两种充磁体例下 的空载反电动势波形,可见因为径向充磁体例气隙磁 密波形的正弦性差,导致电压波形有较着的谐波分 量。所以从减小损耗提高电机转矩和效率、改善电压 波形等方面分析考虑,采用平行充磁更为有益。 OU.1 U2U.3 U4U, U6U./ U.8 U.9 lf/ms 图8两种分歧充磁体例下的空载反电动势 上述结论都是通过采用Maxweu二维模子对高速 永磁电机的瞬态电磁场进行无限元阐发,次要研究对 象为电机的气隙磁密,空载反电动势及转矩,使所设 计的电机能够满足根基要求。 2MaxweU 3D仿真阐发 目前,国表里大大都文献对于高速永磁电机的电 磁场阐发均采用二维电磁场秒速赛车开奖平台计较模子,然而Maxweu 二维模子无限元阐发计较,忽略了磁场强度的轴向分 量及端部绕组的影响。假设定转子电流只要轴向分 量,计较精度有待于提高;因而有需要对高速永磁电 机三维电磁场进行研究’“。 对于保守的中低速电机来说,定转子之间气隙一 般都很小,大大都在lmm以内,所以其端部漏磁很小, 常常忽略不计。但对于本文所设想的高速永磁电机来 讲,气隙达5mm之多,此时的端部漏磁(如图9所示) 可能形成很大的损耗,所以就不得不考虑电机端部结 构电机机能的影响。而要进行电机端部漏磁与端部结 构的阐发优化,必需成立有端部布局的电机三维模子, 进一步对电机全体的电磁特征进行仿真阐发。 操纵专家模子RMxprt生成电机的定子部门,转 子部门由Maxwell三维建模获得。因为本次的高速电 2015.01 l机电一体化17 万方数据空压机用高速电机电磁布局设想与仿真阐发 定子 永磁体 转子 电机端部漏磁道理图机没有斜槽设想,为了简化计较,选用电机的八分之 一模子进行仿真。 高速永磁同步电机空载运转时,电机端部区域磁 场仅由永磁体发生,为了研究永磁体端部磁场对电机 直线段区域磁密分布的影响,以气隙磁密为次要研究 对象。图10是高速永磁电机三维模子仿真后的气隙 磁密在三维空间的分布。 0.8 皇兰o.6 嚣04 趣錾0.2 扩晶lOO 图10三维模子的气隙磁密分布 从图中可看出,气隙磁密的径向分布波形和二维 仿线某一角度气隙磁密沿 轴向的分布能够较着看出,大要在35mm的位置气隙 磁密起头下降,且跟着与电机端面距离的减小,磁密 衰减程度添加,根基呈线性,衰减总长度占电机长度 的12.5%,该衰减距离远弘远于常规电机,可是到端 部时并没有降为0。因而,采用忽略磁密沿轴向变化 的二维电磁场进行阐发会发生较大的误差。 电机端部布局对于电机机能还有一个很大的影 响即对其转矩的影响。从图12中看出,考虑了端部 布局后电机转矩脉动加大,波形也没有二维仿真成果 滑润,有良多尖峰,这对于电机运转是很晦气的,混磁空压机意味 着电机运转不服稳,振动噪声也会加大(能够通过对 电机端部布局的改善来调整);可是和二维仿真成果 比拟,转矩值并没有太大变化,次要缘由是定子工作 18机电一体化I 2015.01 Vt;|}|1O51015 20 25 30 35 40 轴向位置/mm 图11 某一电角度下气隙磁密沿轴向的展开 2.98 2.975 2.97 口2.965 蚤2.96 鼎辞2.955 295 2.945 2.94 ‰1J1 66勿7厂j 』』JrV_JU~一~: l00.2 0.4 O.6 O.8 时间f/ms 图12高速永磁电机三维仿翼时加载转矩 在材料磁导率大的阶段,没有饱和。 成果表白,电机端部的气隙磁密简直衰减严峻, 可是并没有降为0,电机的加载转矩平均值没有太大 变化,其缘由是定子并没有达到磁饱和,工作时仍处 于相对磁导率较高的阶段,必然程度上削弱了端部的 漏磁;但转矩脉动加大,转矩波形也发抖很严峻,很是 晦气于电机平稳运转,振动噪声也会加大:所以需要 对高速电机的端部布局做进一步的改善。 3竣事语 本文次要针对燃料电池系统之供气子系统中的 环节部件压缩机所利用的高速电机的布局设想和性 能阐发展开研究。所得结论为:(1)按照功能要求确 定电机布局形式即定子开槽,转子表贴式的永磁电 机;(2)操纵Ansoft进行电机的建仿照线页) OOOOOOOOM挖加捧MH坦m 万方数据 风电功率时域联系关系消息对SBS-UC问题的效用阐发 Comparison Interval0p“miza“on Appmaches stochasticscuc[J].IEEE Transactions PowerSystems,2012,27(2):913—921. 杨明,韩学山,王士柏,等.不确定运转前提下电力系统 鲁棒安排的根本研究[J].中国电机工程学报,2011, 31(s):100—107. 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(上接第18页) 36槽和24槽两种定子布局形式,理论上来讲最优的 题[J].微电机,2006,8(39):6—9. 选择为36槽定子布局;(3)总结气隙大小对电机机能 [4]NIcoLA BIANcHI,sILVERIo BoLoGNANI,FABIo 影响纪律,选择气隙为5mm,此时就能够包管满足转 LulsE P。胁2i818 Li”i‘8。‘High—spe8dPM 矩要求的环境下,转矩脉动只要0.66%;(4)对比不[J].1EEE T…88。‘i。“8。“1“d“8‘ry Appli。8‘i”8 提高电机转矩和效率、改善电压波形等方面分析考。。th。PM s,。。h二。。。。M。torf▓or I。L。。。char。。t。risti。虑,采用平行充磁更为有益。 i。th。High一。p。。d Region[c].Th。2010 I。t。rnati。nal Power Electronics Conference 2010. 参考文献 [6]赵博,张响亮.Ansoft 12在工程电磁场中的使用[M]. 杨启超,李连生,赵远扬.燃料电池供气系统中空气压北京:中国水利水电出书社,20lO. 缩机的研发觉状[J].压缩机2008(1):32—37. 王凤翔.高速电机的设想特点及相关手艺研究[J].沈电机三维端部区域电磁场阐发与计较[J].中国电机工 阳工业大学学报,2006,3(28):258—264. 程学报,2012,24(32):80一87. 黄允凯,余莉,胡虔生.高速永磁电动机设想的环节问74机电一体化f 2015.01 1J 1j 1J 1J 坫rlr}rL rl rL 万方数据 空压机用高速电机电磁布局设想与仿真阐发 作者: 作者单元:同济大学汽车学院新能源汽车工程核心,上海,201804 刊名: 机电一体化 英文刊名: Mechatronics 2015,21(1)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觉状[期刊论文]-通用机械 2008(1) 2.王凤翔 高速电机的设想特点及相关手艺研究[期刊论文]-沈阳工业大学学报 2006(3) 高速永磁电动机设想的环节问题[期刊论文]-微电机2006(8) 4.NICOLA BIANCHI;SILVERIO BOLOGNANI;FABIO LUISE Potentials High-SpeedPM Motors 2003(12) 5.ISHIHARA N;SANADA M;MORIMOTO PMSynchronous Motor LowIron Loss Characteristic High-speedRegion 2010 6.赵博;张响亮 Ansoft 12在工程电磁场中的使用 2010 7.邱洪波,李伟力,张晓晨,程树康 背绕式定子绕组高速永磁电机三维端部区域电磁场阐发与计较[期刊论文]-中国电机工程学报 2012(24) 援用本文格局:朱珊.王心坚.章桐 空压机用高速电机电磁布局设想与仿真阐发[期刊论文]-机电一体化 2015(1)

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