СВЕРХВЫСОКООБОРОТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С АМОРФНЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ ДЛЯ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ВОЗДУХА ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Рассматриваются водородные топливные элементы – одно из важнейших направлений развития общемировой энергетики, – которые активно внедряются в авиационных системах, например, самолет Airbus A320 (компании Boeing и Airbus анонсировали в 2017–2018 гг. создание вспомогательной силовой установки на топливных элементах мощностью до 200 кВт). В автомобильной промышленности также активно используются такие элементы. При этом эффективное применение водородных топливных элементов невозможно без создания эффективных систем, сопутствующих эксплуатации. В связи с этим предложена новая топология высокооборотного электродвигателя (ВЭД) для компрессора водородного топливного элемента, представлены оригинальные решения по повышению энергоэффективности ВЭД на основе аморфных сплавов. Проведено исследование новой конструкции ВЭД методами компьютерного моделирования в программном комплексе Ansys Maxwell. Получены оптимальные геометрические размеры ВЭД при двухполюсной и четырёхполюсной магнитной системе. При моделировании оценивались потери на вихревые токи в постоянных магнитах и железе ротора для двухполюсной и четырехполюсной магнитных систем. Все полученные теоретические результаты верифицированы экспериментально: для этого был создан макет ВЭД с зубцовой обмоткой. Конструкция экспериментального макета также описана в статье. Особое место уделено испытаниям ВЭД и анализу данных испытаний. В результате экспериментальных испытаний было установлено, что КПД данной топологии составило 92,8 %, а плотность мощности ВЭД – 0,21 кг/кВт при воздушном охлаждении, что показывает большую эффективность по сравнению с известными мировыми аналогами. Кроме того, было доказано, что использование рассматриваемой топологии позволит минимизировать массу водородного топливного элемента при повышении его энергоэффективности. Это особенно важно для аэрокосмической промышленности и автомобилестроения.

1. Harrison, D. Corrigendum to “Suppressing diborane production during the hydrogen release of metal borohydrides: The example of alloyed Al(BH4)3 / D. Harrison, T. Thonhauser // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Vol. 41. – Issue July. – P. 3571–3578.

2. Шалимов, Ю.Н. Водород в системах традиционной и альтернативной энергетики / Ю.Н. Шалимов [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2013. – № 5–1. – С. 10–44.

3. Molkov, V. Blast wave from a high-pressure gas tank rupture in a fire: Stand-alone and undervehicle hydrogen tanks / V. Molkov, S. Kashkarov. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Vol. 41. – Issue 18. – P. 12581–12603.

4. Dubas, F. Design of a high-speed permanent magnet motor for the drive of a fuel cell air-compressor / F. Dubas, C. Espanet, A. Miraoui // 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. – 2005. – P. 603–610.

5. Mekhiche, M. High-speed, high-power density PMSM drive for fuel cell powered HEV application / M. Mekhiche, S. Nichols, J.L. Kirtley, D. Boudreau, R. Jodoin // IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC. – 2001. – P. 658–666.

6. Barta, J. High-Speed Electrical Machine Topology Selection for the 6 kW, 120 000 rpm Helium Turbo-Circulator / J. Barta [et al.] // International Review of Electrical Engineering. – 2017. – Vol. 11 (1). – P. 36–44.

7. Krahenbuhl, D. Miniature 500 000- r/min electrically driven turbocompressor / D. Krahenbuhl [et al.] // IEEE Trans.Industry Applications. – 2010. – Vol. 46. – No. 6. – P. 2459–2466.

8. Dongdong, Z. Control of an ultrahigh speed centrifugal compressor for the air management of fuel cell systems / Z. Dongdong // Other. Universit´e de Technologie de Belfort-Montbeliard. – 2013. – P. 56–73.

9. Zhao, D. Design and Control of an Ultra High Speed Turbo Compressor for the Air Management of Fuel Cell Systems / D. Zhao [et al.] // Transportation ElectrificationConference and Expo (ITEC). – 2012. – P. 134–159.

10. Blunier, B. Proton exchange membrane fuel cell air management in automotive applications / B. Blunier, A. Miraoui // Journal of Fuel Cell Science and Technology. – 2010. – Vol. 7. – No. 041007. – P. 213–216.

11. Luomi, J. Efficiency optimization of a 100-w 500 000-r/min permanent-magnet machine including airfriction losses / J. Luomi [et al.] // Industry Applications, IEEE Transactions on industry applications. – 2009. – Vol. 45. – No. 4. – P. 1368–1377.

12. Vahidi, A. Model predictive control for starvation prevention in a hybrid fuel cell system / A. Vahidi, A. Stefanopoulou, H. Peng // in Proc. American Control Conf. – 2004. – Vol. 1. – P. 834–839.

13. Uzhegov, N. Multidisciplinary Design Process of a 6-Slot 2-Pole High-Speed Permanent-Magnet Synchronous Machine / N. Uzhegov [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2016. – P. 523–531.

14. Polinder, H. Eddy-Current Losses In The Permanent Magnets OF A PM Machine / H. Polinder, MJ. Hoeijmakers // EMD97 1–3 September 1997 Conference Publication. – 1997. – No. 444 – P. 138–142.

15. Gerling, D. Six-Phase Electrically Excited Synchronous Generator for More Electric Aircraft / D. Gerling, A. Mohammed // International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. – 2016. – P. 7–13.

16. Nagorny, A. Design Aspects of a High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor / A. Nagorny [et al.] // Generator for Flywheel Applications. – NASA/TM-2005-213651. – P. 1–7.

17. Gieras, J.F. Highspeed machines / J.F. Gieras // Advancements in Electric Machines (Power Systems). – 2008. – P. 81–113.

18. Bailey, C. Design of High-Speed Direct- Connected Permanent-Magnet Motors and Generators for the Petrochemical Industry / C. Bailey D. Saban, P. Guedes-Pinto // IEEE Transactions on Industry Applications. – 2009. – Vol. 45. – No. 3. – P. 1159–1165.

19. Borisavljevic, A. On the Speed Limits of Permanent-Magnet Machines / A. Borisavljevic, H. Polinder, J. Ferreira // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2010. – Vol. 57. – No. 1. – P. 220–227.

20. Ismagilov, F. Application of hybrid magnetic bearings in aviation starter-generators / F. Ismagilov, I. Khairullin, V. Vavilov, M. Gumerov // International Review of Electrical Engineering-2016 9 (3), –pp. 506-510.

21. Vavilov V. High Efficiency Ultra-High Speed Microgenerator / V. Vavilov [et al.] // Conf. Rec. IEEE IECON. – 2016. – P. 432–442.

22. Yakupov, A. Method of designing high-speed generators for the biogas plant / A. Yakupov [et al.] // International Journal of Renewable Energy Research. – 2016. – Vol. 6. – No. 2. – P. 447–454.

23. Patent DE 102012207508 A1, Germany, Stator für eine elektrische Maschine und Verfahren zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine / Manfred Rührig, applicant Siemens Aktiengesellschaft (07.07.2013).

24. Wang, Z. Development of a permanent magnet motor utilizing amorphous wound cores / Z. Wang [et al.] // IEEE Trans. Magn. – 2010. – Vol. 46. – No. 2. – P. 570–573.

25. Wang, Z. Development of an axial gap motor with amorphous metal cores / Z. Wang [et al.] // IEEE Trans. Ind. Appl. – 2011. – Vol. 47. – No. 3. – P. 1293–1299.

26. Pabut, O. Optimal structural design of a slotless permanent magnet generator / O. Pabut [et al.] // Proceedings of the International Conference of DAAAM Baltic “Industrial Engineering”. – 2015. – Vol. 1. – P. 75–78.

27. Koo, M. Characteristic analysis of permanentmagnet synchronous generator with slotless stator structure considering magnetic/mechanical air gap using semi-3-d analytical method / M. Koo // IEEE Transactions on Magnetics. – 2015. – Vol. 51. – Issue 11. – P. 87–92.

28. Uzhegov, N. Loss minimization in high-speed Permanent Magnet Synchronous Machines with toothcoil windings / J. Pyrhonen, S. Shirinskii // IECON Proceedings (Industrial Electronics Conference) 6699601. – 2013. – P. 2960–2965.