用于氢燃料电池供气系统的带非晶磁路的超高速电动机

氢能源学和氢燃料电池（HFC）是集中式和分散式的优先方向之一。世界各地都在积极发展各种创造和使用HFC的项目；工业界建立了生产固定HFC的公司。HFC在航空系统中得到了积极的应用，例如在空客A320中。在汽车行业，氢氟碳化物也被广泛使用。

也就是说，氢能形成了快速增长的高科技市场，在最近几年具有巨大的经济潜力。这是由于氢氟碳化物的几个优点，如环境友好性、高效率（E）和储存在氢氟碳化物的高能量密度。HFC通常被视为文学作品中的一个独立元素。但真正的HFC是一个复杂的系统，由几个子系统组成：氢气供应系统；空气供应系统；制冷系统；加湿系统；统计转换器和控制系统。

为了解决带有永久磁铁的高速电机（HSM）的能源效率问题，并相应地确保HFC的有效运行，我们提出并实施了一种新的HSM拓扑结构，其主要创新点在于定子的磁芯的实施。由于使用了非晶合金，我们的拓扑结构在铁方面的损失最小，这可以显著提高E，减少HFC压缩机的功率消耗。

此外，我们在本文中提出的拓扑结构允许将HSM直接集成到HFC空气供应系统的压缩机中，从而使其整体尺寸最小化。本文描述了所提出的定子拓扑结构，研究是以功率高达3.5千瓦、转子速度为96000转/分的特定HSM为例进行的。这种HSM可以用于功率高达50千瓦的氢氟碳化物。研究是通过计算机模拟方法进行的。根据研究结果，建立了实验布局。

拟议的用于HFC供气系统的带非晶磁芯的HSM描述

由于所研究的HSM是供气系统的一个元素，那么它的主要特点和对其参数的技术限制由氢电池的供气系统决定。氢氟碳化物的供气系统旨在解决以下主要问题：

供气：供气系统应提供足够的试剂流量，以维持所需的过量氧因子。空气供应不足会导致细胞的损坏。这就是为什么其可控性是HSM的一个重要要求。

过滤供应的空气：任何对氢氟碳化物的催化剂和膜有害的颗粒或化学品，所以由净化系统供应的空气在进入氢氟碳化物之前必须进行过滤。压缩机和电动马达应在没有润滑剂的情况下运行，并进行空气冷却，以确保空气的纯度要求。润滑剂的存在会导致空气污染和不可接受的化学反应。为了实际执行这一要求，HSM被设计成空气冷却，因此很明显，它的损失应该是最小的。另外，磁悬浮轴承或气体轴承大多用于HFC的HSM。

空气压缩：供应给燃料电池的空气通常是加压的。高气压提供了最小的重量和整体尺寸以及更高的氢氟碳化物功率密度，因此压缩机及其HSM也必须具有最小的整体尺寸。

基于这些要求，很明显，HSM必须有最小的整体尺寸和最大的高效率（E），并且应该用非接触轴承支撑来制作。为了尽量减少HSM的损失并提高氢气的发电效率，我们建议使用非晶铁作为定子磁芯的材料。这可以大大减少HSM磁芯中的磁滞和涡流损失。

由非晶铁制成的磁芯的填充系数通常从0.7到0.8不等。这是由于在非晶铁的生产过程中，在磁带上形成了各种技术壳和斑点的事实。所有这些特点不允许在HSM中使用已知的由非晶态铁制成的磁芯的设计。

正因为如此，在大多数情况下，非晶铁被用于HSM的无槽设计，或者用于轴向电动机。为了在氢氟碳化物的HSM定子中使用非晶铁，我们提出了以下方法：用非晶铁带形成几个三角形的磁芯。三角形磁芯的数量与HSM定子的槽的数量相匹配。值得注意的是，在经济成本方面，最小的槽数是可取的。

上图显示了由非晶铁制成的用于氢氟碳化合物的拟议HSM的磁芯。

上图显示了我们提出的集成在HFC压缩机中的HSM拓扑结构的3D模型。图中还显示了采用我们的HSM拓扑结构的HFC压缩机的结构图。从图中可以看出，所提出的设计还有一个优点：通过这种制造技术形成了用于HSM冷却的技术通道。这些通道位于定子体内，大大改善了HSM活性区的散热。正因为如此，我们在使用非晶铁制成的磁芯的HSM中使用空气作为冷却介质。空气以三种方式流动：在定子体内、在气隙中和在定子表面。

在定子和转子之间的间隙中安装了一个陶瓷套筒，以尽量减少空气动力损失。由于开发HSM应具有最小的重量和在整体尺寸上，使用了一个齿形线圈绕组。这样可以提供最小的HSM总长度和绕组的电隔离。为了确保可靠性和对润滑剂的排斥，我们使用了转子的磁悬浮。由于我们使用的是齿形线圈绕组，由于涡流和空间谐波，HSM的永磁体的损耗可能会很严重。

定子磁芯的尺寸是根据定子齿部和背部的相同磁通密度来选择的。在这种情况下，定子齿部和背部的比损耗将是相同的，定子铁的总损耗将取决于定子齿部和背部的重量。在具有分布式绕组和由电工钢制成的磁芯的HSM中，很难实现定子齿和背的相同重量，所以它的损耗分布往往是不均匀的。对于带成型磁芯的两极HSM来说，定子背面的损耗比齿部的大。

在根据所提出的技术创建的HSM中，定子背面与定子齿分开形成，这允许实现定子背面和齿的大致相同的重量（这些重量之间的差异不超过20e30%），然后定子铁中的损失分布几乎是均匀的。

上图显示了为拟议的HSM设计的定子磁芯的结构图。在开发用于氢氟碳化物的HSM时，考虑了定子的两种设计：由50毫米长的磁带形成的磁芯设计和由几个长度为5毫米的磁芯组装而成的磁芯设计。很明显，第一种磁芯在技术上比第二种简单；第二种磁芯应该有较低的涡流和磁滞损失。

拟议的HSM拓扑结构的计算

为了评估拟议的HSM拓扑结构的有效性，在AnsysMaxwell软件中进行了计算。表1显示了作为计算结果而获得的用于氢氟碳化合物的HSM的几何尺寸。

上图显示了两极和四极磁性系统的磁场分布、永磁体和转子铁中的涡流损耗的计算机模拟结果。从计算机模拟的结果可以看出，四极磁系统可以实现较低的重量和HSM的整体尺寸，因为放弃了由非晶态铁制成的磁芯外环。这个环的重量是200克（占定子磁芯重量的50%）。定子磁芯中的磁通密度与四极磁系统将是1.2T；永久磁芯中的损失是1.2T，磁铁将是6.3*108W/m3。

四极磁性系统的重要缺点是定子磁化反转频率高（3200赫兹），因此，在磁芯中存在涡流和磁滞损失。在两极磁系统中，定子磁化反转频率为1600赫兹，但定子磁芯中的磁通密度为1.5T（该值超过了5BDSR合金的饱和磁通密度），磁芯的重量为400克。两极磁系统中永磁体的涡流和磁滞损失为4.97*108W/m3。

很明显，磁化反转频率增加2倍会使磁芯的涡流损耗增加4倍。由于两极磁芯的重量是2倍，而损失是由磁芯的重量决定的，那么四极转子的总损失将是两极转子的2倍。由于我们的磁性系统的磁芯的确切损失不能被分析评估，在这个阶段，我们决定选择HSM的两极拓扑结构来创建一个实验布局。

在对我们的拓扑结构和磁芯损失评估进行经验性研究后，可以根据所提出的拓扑结构，对氢氟碳化物的最优化设计做出结论。总的来说，计算机模拟的结果显示，根据所提出的拓扑结构，在计算的尺寸中可以达到规定的功率和E。这些结果使我们能够继续创建一个实验性的布局。

测试HSM的HFC实验布局

上图显示了根据给定的几何尺寸（表1）创建的用于氢氟碳化合物的HSM的实验布局。布局的测试是在支架上进行的，这个支架也显示在图中。测试是在较低的速度（3000rpm）下进行的，以简化实验室研究。测试的主要目的是评估布局数据与计算机模拟数据的相似性。实验研究的结果与计算机模拟数据的差异不超过3%；这是一个良好的实验结果。HSM的能源效率评估是通过直接测量（驱动功耗评估（异步电机））和布局的输出能力评估来进行的。

在发电机模式下对HSM的E进行评估是为了能够进行更精确的测量，以及更简单地评估布局中的空气动力损失和摩擦损失。我们制作了两个具有相同材料和相同表面处理的转子。一个转子是用永久磁铁制成的，另一个则没有。在布局的驱动启动时（带永久磁铁的转子），空载运行时消耗的功率为81.5W；在不连接HSM的耦合启动时，消耗的功率为60W。在发电机模式下，只有定子中的空气动力、磁滞和涡流损失以及空载运行时的轴承支撑损失。然后测量了带有无永久磁铁转子的HSM驱动的功率消耗。使用功率为1.5千瓦、转子转速为2800转/分的异步电动机作为试验对象。

异步电动机的功率评估是使用功率分析仪Prisma-50进行的。当用一个没有永久磁铁的转子启动HSM布局时，驱动器的功率消耗为每相80W。在这种情况下，HSM只有空气动力损失和轴承支撑的损失（即机械损失）。由此可以看出，定子磁芯的损耗是4.5W。在HSM布局运行的10分钟内（在这个损失大小的情况下），磁芯被加热到60oC。根据磁芯的重量，具体损失为11.25W/kg。对于50赫兹的频率来说，这个损失值是相当大的。为了确定这种大量损失的原因，我们进行了一些额外的研究。

定子磁芯中的损耗是按一定的标准评估的。因为拟议的布局有齿形线圈绕组，那么通过它的磁通将完全通过定子齿。为了评估定子齿部的磁通密度，一个磁通计被连接到一个线圈的端子上；经测量，定子齿部的磁通密度为这些数据与计算机模拟的数据接近。这表明了获得损失值的原因：原因是定子磁芯的明显饱和。定子磁芯的饱和度显示在电压振荡图上。对于5BDSR非晶铁的饱和磁通密度为1.35T。评估饱和磁芯的损耗是不允许的，因为在这种情况下，与正常工作条件下的损耗相比，损耗明显增加。

下一步是估计定子中的损失。参考资料在高磁化频率下的磁芯和在低磁化频率下的磁芯。磁通密度值低于饱和状态。十极转子被设置在磁芯上。测量的磁通密度为0.4T，磁芯的损耗为0.3。在运行的10分钟内，定子的温度变化为0.8oC，定子齿的温度变化为1oC。定子背面的温度测量是由热成像仪Testo870进行的；定子齿的温度测量是由设置在定子齿表面的热电偶进行的。获得的铁的比损失值比电工钢的类似值低5-7倍，因此，经验-心理研究证实了理论结论。

表2显示了在实验研究中确定的两极和四极磁性系统以及所示的磁芯拓扑结构的损耗值。为了进行比较，我们给出了容量相似但转速为45,000rpm的传统HSM的损耗。表2显示，我们提出的拓扑结构比已知的和使用的拓扑结构有明显的优势，包括氢元素的HSM。将拓扑结构中的速度提高到96000rpm将导致其有效性的显著下降。研究结果表明，最有效的四极HSM的磁芯长度为5毫米。

笔者有理由认为氢能源和氢燃料电池是集中式和分散式能源发展的优先方向之一。因此，一种新的HSM拓扑结构用于HFC的压缩机实施；主要的创新点是由非晶铁制成的定子磁芯。研究结果表明，由于使用非晶态合金，这种拓扑结构具有最小的铁损耗。

作为理论和实验研究的结果，我们的拓扑结构的E值为92.8%（根据空气动力和机械损失），我们的HSM的空气冷却的功率密度为0.21公斤/千瓦。这证明了我们的拓扑结构与已知的类似物相比是有效的。它还表明，使用我们的拓扑结构可以最大限度地减少氢氟碳化物的重量并提高其能源效率。这对航天应用或汽车工业中的氢氟碳化物特别重要。所有提出的结果都通过对所创建的布局的实验研究来证明。