基于气隙磁场调制的EMN模型应用于LNG泵低温永磁同步电机

《IEEE Transactions on Magnetics》：Air-Gap Field Modulation-Based EMN Model Applied for LNG Pump Cryogenic PMSM

　　

摘要：

为满足低温永磁同步电机（CPMSMs）高精度磁场建模的需求，本文提出了一种基于气隙磁场调制的等效磁网络（FMEMN）模型。该模型在铁芯区域采用等效磁网络（EMN）以考虑非线性饱和特性，同时在气隙区域创新性地引入边界元法（BEM）以实现高精度磁场分析。与传统耦合策略不同，经BEM建模的气隙域被等效视为多端口宏单元，其刚度矩阵通过网格映射直接嵌入全局EMN方程中。这种方法无需复杂的气隙磁导建模即可获得精确的磁场解。此外，为克服BEM边界离散化中遇到的奇异性问题，提出了一种基于解析正则化的小圆弧积分方法，以严谨处理奇异积分。最后，利用所建立的模型计算了包括磁链、反电动势、气隙磁密和转矩在内的电磁性能参数。通过与有限元分析（FEA）结果及实验数据的对比，验证了所提模型的正确性。

I. 引言

近年来，海事脱碳的迫切需求推动了替代推进技术的发展，这些技术能够减少温室气体排放并符合国际法规要求。在众多低排放和零排放策略中，液化天然气（LNG）已成为目前最成熟且最具实际部署可行性的方案之一[1]。作为潜液式LNG泵的关键部件，低温电机的运行性能直接决定了LNG运输的安全性[2]。永磁体（PMs）的引入是提升电机性能的有效策略，尤其是在转矩方面[3]。低温永磁同步电机（CPMSMs）具有高功率密度和对极端环境的强适应性，已成为LNG泵驱动系统技术升级的重要方向。图1展示了LNG运输船和潜液式LNG泵的结构。这一特定应用对电机性能提出了严格要求；因此，提高设计精度和优化CPMSMs性能已成为关键挑战[4]。随着对电机性能需求的不断增长，提高永磁同步电机（PMSMs）的设计精度已成为电气工程领域的重要研究焦点。图1.

LNG运输船和潜液式LNG泵结构。