基于氢燃料电池高转速直驱电机关键技术研发

基于氢燃料电池高转速直驱电机关键技术研发

代克金、温鲜慧、袁安花、代雨婷、时婷婷

深圳市深信创联智能科技有限责任公司 广东深圳 518100

摘要：清洁能源技术是我国“碳达峰”在2030年前的战略发展规划，而氢能对世界各国的发展均具有重大的意义，多国已从顶层设计着手推动氢能源技术的发展。本课题基于氢燃料电池高转速直驱电机采用氢燃料动力，主要解决电池燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，研究技术应用不产生一氧化碳和二氧化碳，也不会产生硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料是完美的汽车能源，研发革新必然是汽车行业长期发展方向和目标。

图1燃料电池水气循环系统

引言：氢燃料电池的核心子系统，由高速电机驱动的高性能空压机的市场需求正在快速扩大，掌握该系统的核心技术是确保相关产品具有国际竞争力的保障，更是推动我国我市经济发展的重要手段，因此对燃料电池用空压机子系统展开研发，本课题主要解决氢燃料电池系统关键部件的高转速直驱电机及系统存在驱动电路功率密度低、电机功率密度和效率低、电机易共振及强度不足、轴承磨损严重等方面的问题。

一、主要研究内容

（1）高功率密度的三相六开关整流电路以及高速控制算法研究；

结合超高速电机系统的功率器件开关频率、可靠性及功率密度的高要求，本技术采用以SiC材料为代表的宽禁带半导体功率器件作为超高速电机驱动逆变器的功率器件；采用“改进的直接转矩控制”+“无位置传感器控制”相结合的控制方法来实现超高速电机的高性能控制。

（2）超高转速下电机功率密度和效率协同提升技术研发；

采用多股并绕利兹线作为绕组材料，以降低超高频下绕组导体的集肤效应，降低超高频下电机的铜耗；建立以结构参数为输入变量的电机效率的拟合参数模型，通过改进的粒子群优化算法对结构参数展开优化，在保证优良电磁性能的前提下提升电机的效率；通过电磁-热场耦合计算确定电机内部的温度分布情况，进而设计超高速电机的冷却系统，在保证电机温升可靠性的前提下，增大电机电磁负荷，有效提升电机的功率密度。

（3）超高转速下电机共振和强度提升技术研发；

采用最优槽/极配合和系数优化削弱齿槽转矩。本技术基于电磁场的计算，得出齿槽转矩与永磁体形状，定转子槽极配合，定子槽型设计的关系式，结合永磁体极弧系数，定转子槽极配合，定子槽口系数，斜槽系数等方面进行优化，最大程度的削弱齿槽转矩。

（4）超高转速下轴承磨损技术研发

通过时域信号的特征值分析、频域分析等信号处理分析方法判断超高速电机的轴承状态和磨损情况，建立实时监测系统实时反馈高速电机轴承健康状态，实现轴承出现微量磨损后即发出提示及检修替换信号，提高电机系统可靠性，延长燃料电池系统整体使用寿命。

二、解决的关键技术问题

（1）高功率密度超高速电机驱动器及控制算法技术：采用以 SiC 材料为代表的宽禁带半导体功率器件作为超高速电机驱动逆变器的功率器件，提高系统集成度和可靠性。

（2）超高速电机本体设计及优化技术：通过电磁-热场耦合计算确定电机内 部的温度分布情况，进而设计超高速电机的冷却系统，在保证电机温升可靠性的 前提下，增大电机电磁负荷，有效提升电机的功率密度。

（3）超高速电机振动抑制及强度提升技术：通过优化电机本体结构优化和先进控制方法抑制转矩波动；针对优化后电机定转子结构的薄弱环节展开模态分析，优化轴系设计，提升转子强度和可靠性。

（4）超高速电机轴承磨损诊断技术：通过检查轴承的滚动声、振动、温度、 润滑的状态可以判定轴承是否损坏。

三、采用的技术原理、技术方法、技术路线以及工艺流程

（1）超高速电机本体，电机的定子含冷却系统，电机的转子则与离心式叶轮直接相连，利用腔体实现燃料电池所需氧气的压缩与输送。电机本体基于电磁学基本定律，在定子绕组内通入三相对称的交变电流，产生旋转定子磁场与转子永磁体相互作用，驱动转轴旋转，确保超高速电机的安全可靠运行。

图2燃料电池用超高速电机系统

（2）超高速电机变频驱动器，驱动器包含硬件和软件两部分，硬件部分由驱动电动、控制电路、信号处理电路等组成，其软件部分由 PWM 控制程序、直接转矩控制程序、无位置传感器控制程序、模拟数字信号采集处理程序等组成，实现驱动超高速电机按系统需求精准运行。

（3）轴承部分作为本课题研发的电机转速极高，基于超高速范围，考虑到燃料电池空压机要求，选取陶瓷球轴承或空气箔片轴承作为超高速电机的转子支撑方案。

四、技术进步、工艺创新成果

（1）将电机本体结构优化和先进控制方法相结合，有效抑制超高速电机的 转矩波动，有效削弱电机的电磁激振力，降低电磁振动。
（2）合理优化轴系分布及尺寸，保证超高速电机快速跨越并远离临界转速，避免强烈共振现象的产生。

（3）针对电机旋转结构中的薄弱环节，如磁钢，护套等进行挤压应力和剪切应力分析，确保在材料在高速旋转中不产生塑性形变，确保超高速电机的可靠性。

五、关键技术指标

电压范围：250~750Vdc，工作电压 400V，电周期频率≥2600Hz；

转速范围：0~200000RPM，负载转速≥160000RPM；

额定功率≥20KW，扭力范围：0~1260mNm；

使用寿命≥25000h，效率≥91%；

工作环境：可长期在-40~100℃温度范围内工作；

EMC 设计满足 IEC-CISPR25 标准。

六、技术创新点

（1）提出高效高功率密度超高速电机电磁结构方案，解决超高速电机内高频条件下损耗偏大的技术问题。

（2）建立准确的超高速电机“电磁-热-力”多物理场耦合模型，解决现有超高速电机模型中热场分布、振动分布计算不准确的技术问题。

（3）建立基于振动信号检测分析的轴承健康状态检测系统，解决超高速电机轴承寿命无法检测及预警的技术问题。

结束语：随着氢燃料电池的迅猛发展趋势和广阔应用前景，本技术成果将对氢燃料电 池离心式空压机用高速电机关键技术研发，解决并突破超高速直驱电机本体设计、超高速电机驱动及控制、振动噪声抑制、轴承健康状态监测等环节中存在的技术难题，形成一套高集成度、高效率、高可靠性、低噪声的先进燃料电池用高速直驱电机系统。本技术成果转化将大幅提高国产氢燃料电池空压机产品的核心竞争力，助力我国氢燃料电池及氢燃料电池汽车的快速发展。

参考文献：

[1]赵燕,张敏. 浅谈氢燃料电池汽车的现状及发展趋势[J]. 时代汽车,2021(9):103-104. 

[2]张旭朋,刘军,席会杰.氢燃料电池离心压缩机性能测试系统的设计[J].汽车零部件,2021(11):81-83.