CN113054816A - 一种用于车用燃料电池空压机的无轴承超高速永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于车用燃料电池空压机的无轴承超高速永磁电机，包括机壳、转子、定子、轴承系统及冷却系统，转子采用实心永磁体结构，包括整体平行充磁的实心永磁体和护套。定子包括固定在两端的两段定子铁心和三套绕组，三套绕组包括一套用以驱动电机旋转的转矩悬浮控制绕组和两套用以实现电机两端悬浮的悬浮绕组，两段定子铁心共用一套转矩绕组，而两段定子铁心各自对应一套悬浮绕组，两套悬浮绕组分别用于对转子两侧的位置信息进行反馈，调节悬浮电流实现转子稳定悬浮；所述的轴承系统包括分别固定在两端的辅助滚动轴承和调心辅助轴承；所述的冷却系统包括机壳水冷系统和风冷系统。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池空压机技术设计领域，具体涉及一种车用燃料电池空压机的无轴承超高速永磁电机设计。
背景技术
近年来，随着全球环境污染日益严重，不可再生能源持续消耗，世界各国对于能源合理利用的重视程度不断提高，推动能源结构转型和使用新型清洁能源成为化解能源问题的一个重要手段。氢燃料电池技术作为清洁的新能源方案中的关键技术得到了广泛关注。高效空气压缩机(空压机)作为燃料电池系统的关键设备，其性能好坏直接影响到燃料电池系统的效率、紧凑性。
针对空压机高效、无油、小型、高压、低噪和低功耗的技术要求，作为其核心部件的驱动电机的高效优化设计是实现这些要求的基本前提。为满足上述性能要求，目前多以高效、高功率密度、体积小，直驱高速负载、高传动效率等特性的高速永磁电机作为空压机驱动电机的首选。
为进一步实现氢燃料电池更高转速、更高效，体积更小的趋势，以更高转速空压机满足流量和压比需求，采用超高速永磁电机有望突破这一瓶颈。然而超高速永磁电机运行转速高，更接近临界转速，易产生共振。对于超高速电机支撑轴承，传统轴承无法实现超高速运转，且无油的工作条件迫使现有油润滑的机械轴承无法满足使用要求。目前多采用气浮轴承及磁轴承实现悬浮。但前者抗扰性差，后者凭借其良好的稳定性，且避免较大机械损耗的产生，更易实现更高转速悬浮而被广泛使用。但其为实现各个自由度控制，则需在电机端部施加多个自由度轴向或径向磁轴承，导致轴向长度较长，限制燃料电池空压机在体积、临界转速等方面的发展。
此外，超高速电机较高的功率密度同样带来较大的损耗密度，温升问题较为严重，为此提出更高的散热要求。
发明内容
针对车用燃料电池对高效空压机的需求，现有气浮轴承抗扰动冲击能力弱、油润滑机械轴承无法满足无油工作要求，磁悬浮轴承轴向尺寸长引起的动力学问题，本发明提出一种用于燃料电池汽车空压机的无轴承超高速永磁同步电机驱动电机。技术方案如下：
一种用于车用燃料电池空压机的无轴承超高速永磁电机，包括机壳、转子、定子、轴承系统及冷却系统，其特征在于，转子采用实心永磁体结构，包括整体平行充磁的实心永磁体和护套；定子包括固定在两端的两段定子铁心和三套绕组，三套绕组包括一套用以驱动电机旋转的转矩悬浮控制绕组和两套用以实现电机两端悬浮的悬浮绕组，两段定子铁心共用一套转矩绕组，而两段定子铁心各自对应一套悬浮绕组，两套悬浮绕组分别用于对转子两侧的位置信息进行反馈，调节悬浮电流实现转子稳定悬浮；所述的轴承系统包括分别固定在两端的辅助滚动轴承和调心辅助轴承，辅助滚动轴承用于支撑转子，以避免转子外表面与定子内表面相撞，在施加悬浮控制电流后，该轴承则不再起作用，且该轴承始终与转子保持一定间隙；实现转子悬浮后，由紧固在另一端的调心辅助轴承保证转子稳定悬浮；所述的冷却系统包括机壳水冷系统和风冷系统，其风冷系统利两段定子铁心间空间作为径向通分道及气隙处作为轴向通风道，由中间进风，流经径向通风道，对两套悬浮绕组内侧端部进行散热，再流经气隙向两侧通风对转子进行散热。
优选地，机壳水冷系统采用螺旋水道结构。
本发明具有以下有益效果：
(1)结合空压机实际应用，本发明提出的将无轴承悬浮及超高速永磁电机集成一体用于车用燃料电池空压机，有助于实现空压机高效、无油、小型化的技术要求。其无轴承悬浮设计，避免了以往普遍采用的气浮轴承扰动冲击能力差、油润滑轴承油液的污染、磁悬浮轴承轴向尺寸长，有利于缩短轴向空间进一步改善转子动力学性能，且磁悬浮高控制保障了实现超高速运行的稳定性；
(2)本发明采用一套转矩控制绕组，两套悬浮控制绕组的无轴承悬浮控制，可实现对转子左右两侧单独控制。利用无位置传感器观测出的电机转子角度及位移，通过对左右两套悬浮绕组电流进行控制，以实现对转子两侧位移和方向进行精准调控。
(3)机壳水冷和内部强制风冷的多通路双重混合冷却方案，风冷系统中径向通风道的设计，合理的利用了两段定子铁心间的空间，冷却介质由最高温度的中间位置流入，有利于缓解电机中心位置最高温度问题，解决了单一轴向通风冷却时，流经转子的冷却介质被加热，从而降低对电机的散热效果的现象，有利于降低电机轴向温差，温度分布更为合理；且混合冷却风道的设计，进一步解决了悬浮绕组存在产生不平衡磁场导致的附加损耗导致电机过热的问题，同时提高了定子和转子的散热效果。此外利用两段定子铁心间的空间放置两套悬浮绕组端部，冷却介质通过该径向通风道有利于对无轴承电机附加的左右两套悬浮绕组的端部进行散热，该结构在实现转子两端悬浮的同时，有效避免端部过热的问题；加之外水冷的冷却作用，有效降低电机工作温度，避免绕组及永磁体过热等问题，延长使用寿命。
附图说明
图1为本发明无轴承超高速永磁同步电机系统结构轴向剖面示意图；
图2为本发明的电机混合冷却系统结构示意图；
图3为本发明悬浮控制绕组接线示意图；
图4为本发明转矩控制绕组接线示意图；
具体实施方式
本发明提出的适用于车用燃料电池空压机的驱动电机，将永磁电机与磁悬浮轴承集成于一体无轴承超高速永磁电机设计方案，同时考虑高速电机本身设计中存在的电磁、机械及温升的限制，叠加控制悬浮轴承的附加悬浮绕组耦合实现电机运转和悬浮，并在此新结构基础上提出一套高效的冷却方式。
本发明中用于车用燃料电池的无轴承超高速永磁同步电机包括电机转子、定子、轴承系统及冷却系统。下面结合附图对本发明电机做进一步说明。参见图1为本发明无轴承高速永磁电机轴向剖面示意图及图2 为其冷却结构，机壳1，用以固定左右两段定子铁心2、3及左右端盖4、5。为实现无轴承悬浮下电机运行，在保证转矩控制绕组产生所需转矩的同时，由悬浮控制绕组产生可控的径向悬浮力。为此定子三套绕组：包括一套2极转矩控制绕组6，绕线贯穿绕制在两段定子铁心；左右两套4极悬浮控制绕组7，8，左侧悬浮绕组7单绕在左段定子铁心2的定子槽内，控制电机转子左侧悬浮；右侧悬浮绕组8单绕在右段定子铁心3的定子槽内，控制电机转子右侧悬浮考虑电机超高速运行。为保证超高速电机转子超高速运行强度，采用实心永磁体结构，其包括似圆柱形的实心永磁体9、用以保护永磁体9、为其提供压力的外层环形护套10。装配后将护套及永磁体两端粘结两侧转轴11，在完成整体转子装配后对永磁体进行整体平行充磁。为保证转子悬浮安全，设置辅助滚动轴承12固定在左侧端盖2上，且与转子之间存在一定间隙。设置调心辅助轴承13紧固在转子右端。其冷却系统参见图2，包括14为强迫风冷进风口，15为径向通风道设置在两段定子铁心4、5之间的空间，16为定子转子间气隙即强迫风冷流经通风路径，17，18分别为左右两侧出风口，19为水冷系统水道。20、21为空压机应用所用两侧涡轮，安装在转轴两侧。
本发明提及的无轴承超高速永磁电机设计，通过以下技术方案实现：
(1)确定无轴承超高速永磁电机本体结构：
基于无轴承永磁电机设计理论，需考虑同时满足转矩及悬浮力要求，对转矩控制绕组及悬浮控制绕组进行设计。在满足两绕组极对数之间PB＝PM±1的关系下(其中,PM为电机转矩控制绕组的极对数，PB为悬浮力控制绕组的极对数)，实现双绕组间极对数、匝数比、绕线方式等方面的合理配置，将转矩绕组和悬浮力绕组作为一个整体来设计电机电磁与机械参数，保证输出所需电磁特性和悬浮承载力。本发明以 2极转矩控制绕组及两套4级悬浮控制绕组为例，其转矩控制绕组排布示意图见图2、左右两套悬浮绕组排布示意图见图3。利用无位置传感器控制策略，通过观测电气回路的内部信号来间接地获取转子两侧的位置信息，实时监测电机转子左右两侧的角度及位移。左右两套悬浮绕组的存在，便可根据反馈回来的信号，通过对左右两套绕组电流进行控制，以实现对转子两侧位移和方向进行精准调控。
在实现悬浮之前，转子由固定在左侧端盖上辅助滚动轴承进行支撑，避免转子外表面与定子内表面相撞；在施加悬浮控制电流后，该轴承则不再起作用，且该轴承始终与转子保持一定间隙。实现转子悬浮后，由紧固在转子右端的调心辅助轴承进行为保证转子稳定悬浮。
为实现超高速运行，考虑抗拉性能差的永磁体难以承受较大离心力，转子采用实心永磁体结构，并基于材料热特性，在永磁体外面采用过盈装配工艺外加非导磁材料护套，在不影响电磁特性下以提供足够压应力避免转子承受不住高速旋转产生较大的离心力。
该燃料电池用无轴承超高速永磁电机还包括水冷和强迫风冷混合冷却系统如图2所示。基于该两段式悬浮单独控制的无轴承超高速电机特殊结构，结合超高速电机本身产生的电磁及机械损耗，再叠加无轴承永磁电机异步运行的悬浮绕组磁场产生的附加损耗，为此采用机壳水冷和内部强制风冷的多通路混合冷却方案设计。其中风冷系统包括位于两段定子铁心间的径向通分道及气隙处的轴向通分道。冷却介质由中间进风口14，流经径向通风道15冷却定子内侧及悬浮绕组内侧端部，再向两侧分流流经气隙通风道16对转子表面进行散热，最后流经三套绕组外端部，由两侧出风口17、18流出。该混合通风方案，在提出的结构的基础上进行混合通风设置，由中间进两侧出进行冷却，有针对的降低电机内部最高温度，有效降低绕组端部温升，使电机平均散热，温度均匀分布。此外水冷系统采用螺旋水道19，进一步降低电机定子温升，弥补无轴承超高速电机结构紧凑导致的损耗密度高，散热能力不足的问题。
(2)无轴承超高速永磁电机数学模型的建立：为实现无轴承永磁电机运行，由悬浮绕组磁场、转矩绕组磁场和永磁体磁场叠加导致气隙磁场不平衡分布。为此基于转矩控制绕组与悬浮控制绕组各自单独作用下磁场分布，得到合成磁场不平衡气隙磁场分布规律。由分析麦克斯韦力和洛伦兹力对电磁转矩及悬浮力各自的贡献，推导出产生任意方向大小可控的悬浮条件。在上述基础上利用兼顾精确度及计算效率的建模方法，选用合适的坐标系，探究两套绕组相互作用下的无轴承永磁同步电机的磁链、电压、电流、径向悬浮力和电磁转矩等方面的非线性耦合关系，综合考虑无轴承超高速电机中更为显著存在的转子偏心、磁饱和效应、谐波分量、绕组磁链交链及控制难易程度等诸多因素，推导包括磁链方程、电压与电流方程、电磁转矩方程、电磁悬浮力方程的数学模型。建立协调电机电磁结构-控制策略的精确的数学模型，从而方便电机本体设计及解耦控制。
本发明包括但不局限于上述实施方式，值得注意的是，在不脱离本发明原理前提下对其进行的改进与变形等，都应视作本发明的保护。
Claims (2)
1.一种用于车用燃料电池空压机的无轴承超高速永磁电机，包括机壳、转子、定子、轴承系统及冷却系统，其特征在于，转子采用实心永磁体结构，包括整体平行充磁的实心永磁体和护套。定子包括固定在两端的两段定子铁心和三套绕组，三套绕组包括一套用以驱动电机旋转的转矩悬浮控制绕组和两套用以实现电机两端悬浮的悬浮绕组，两段定子铁心共用一套转矩绕组，而两段定子铁心各自对应一套悬浮绕组，两套悬浮绕组分别用于对转子两侧的位置信息进行反馈，调节悬浮电流实现转子稳定悬浮；所述的轴承系统包括分别固定在两端的辅助滚动轴承和调心辅助轴承，辅助滚动轴承用于支撑转子，以避免转子外表面与定子内表面相撞，在施加悬浮控制电流后，该轴承则不再起作用，且该轴承始终与转子保持一定间隙；实现转子悬浮后，由紧固在另一端的调心辅助轴承保证转子稳定悬浮；所述的冷却系统包括机壳水冷系统和风冷系统，其风冷系统利两段定子铁心间空间作为径向通分道及气隙处作为轴向通风道，由中间进风，流经径向通风道，对两套悬浮绕组内侧端部进行散热，再流经气隙向两侧通风对转子进行散热。
2.根据权利要求1所述的无轴承超高速永磁电机，其特征在于，机壳水冷系统采用螺旋水道结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210629 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |