趙錦成，閆羽佳，孟繁敬

(1．軍械工程學院，石家莊050003;2．普林億威科技有限公司，唐山063020)

0 引 言

本文主要研究用于取力發(fā)電系統(tǒng)中間定子盤式無鐵心永磁發(fā)電機，這種發(fā)電機具有體積小、重量輕、軸向尺寸短、結構緊湊、功率密度高、散熱性能好等優(yōu)勢［1］，充分解決了發(fā)電系統(tǒng)的空間限制和功率需求問題。

目前，國內外對盤式永磁電機的研究主要集中在電動汽車、可再生能源發(fā)電、飛輪儲能等對功率密度和轉矩密度要求較高的領域［2－6］。由于盤式電機拓撲結構多樣，性能參數(shù)計算復雜，所以如何設計出高性能的盤式電機一直是盤式電機研究的重點和難點。本文基于盤式電機的基本尺寸方程，結合有限元法，設計了一臺功率為22 kW的盤式無鐵心永磁發(fā)電機，并仿真分析了其輸出特性，為最終取力發(fā)電系統(tǒng)的完成打下了基礎。

1 盤式無鐵心永磁發(fā)電機的結構

典型盤式無鐵心永磁盤式發(fā)電機結構示意圖如圖1所示，采用了功率密度較高的雙轉子中間定子結構，用環(huán)氧樹脂材料澆注結構代替定子鐵心。

圖1 盤式定子無鐵心永磁電機結構示意圖

轉子由原動機帶動產(chǎn)生旋轉磁場，定子繞組與旋轉磁場交鏈產(chǎn)生感應電動勢，輸出電磁功率。無鐵心結構消除了齒槽轉矩和磁路飽和等影響，降低了電機質量和損耗，提升了效率［7］。

2 盤式無鐵心永磁發(fā)電機的電磁設計

2． 1 電機設計原理［8－10］

盤式發(fā)電機電樞繞組感應電動勢平均值:

得到m相電機電磁功率:

式中:n為轉速;a為并聯(lián)支路數(shù);αi為計算極弧系數(shù);Bδ為氣隙磁密幅值;N為每相導體數(shù);Do為電機外直徑;Di為電機內直徑。

每相電流I用平均直徑處的線負荷Aav表示:

2． 2電機設計要求

依據(jù)車載取力發(fā)電系統(tǒng)的實際情況，確定發(fā)電機各項初始參數(shù)，如表1所示。

表1 盤式無鐵心永磁發(fā)電機初始參數(shù)表

2． 3電機主要參數(shù)設計

本設計首要目的是在一定尺寸范圍內得到滿足要求的盡可能高的電磁功率，所以通過對式(4)中電磁功率求極值可得，當λ為槡3時輸出電磁功率最大。結合文獻中的實際設計經(jīng)驗，λ一般取值范圍為1．7 ～2．2，本設計取為 1．75。λ 確定之后，外徑Do取最大值280 mm，則內徑為260 mm。考慮到盤式電機散熱條件較好，線負荷取為10 A·mm－1［11］。將已經(jīng)確定下來的參數(shù)代入式(4)中，可估算出額定輸出功率在20 kW以上，能夠滿足預期要求。

2． 4電機磁極設計

磁極選用退磁溫度180℃的N45UH釹鐵硼，剩余磁感應強度為1．33 T，極弧系數(shù)取為0．8，采用扇形結構，計算極弧系數(shù)約等于極弧系數(shù)，氣隙磁密幅值需要通過有限元仿真分析確定，先估計為較小值0．6 T。額定轉速為3 000 r/min，工作轉速范在1 000～6 000 r/min，屬于中等轉速電機，輸出接中高頻整流負載，極數(shù)選為8～16極。在理想條件下，永磁體厚度等于氣隙計算長度長度時效果最好。但是實際情況中，一般取永磁體總厚度為計算氣隙長度的1～2倍之間，本設計采用9 mm厚度繞組和1 mm單側氣隙，永磁體厚度采用6 mm。

2． 5電機繞組設計

本文設計采用集中非疊繞組，具有較短的端部，用銅量和銅耗都低于分布式疊繞組，有利于提高電機效率，而且下線簡單，不容易發(fā)生匝間短路。在定子無鐵心電機的虛擬齒槽結構中，極槽配合關系是決定繞組分布的關鍵因素。典型m相集中非疊繞組中，元件的兩條邊放置在鄰近的兩槽之中，連續(xù)的n個元件構成元件組。元件組串并聯(lián)組成電機相繞組，定子齒數(shù)Z和元件數(shù)相等，可得:

對于極對數(shù)為p的電機，每極每相槽數(shù):

式中:a和b分別代表最簡分子式的分子和分母，并且需要滿足如下約束條件［12］:

因此在每極每相槽數(shù)的最簡分子式中，分子等于元件組的串聯(lián)元件數(shù)，分母不等于電機相數(shù)的整數(shù)倍。結合集中非疊繞組的每極每相槽數(shù)為小于1/2的分數(shù)這一條件，可得三相盤式無鐵心永磁發(fā)電機的可能極槽配合關系，如表2所示。

表2 盤式無鐵心永磁發(fā)電機不同極槽數(shù)下每極每相槽數(shù)表

考慮到額定電壓幅值為220 V，依據(jù)式(1)估算每相串聯(lián)導體數(shù)約為200，需要較高線圈數(shù)來限制每個線圈的匝數(shù)。綜合考慮本文設計采用16極24槽結構，尺寸參數(shù)如表3所示。其中，額定電壓和功率是否滿足要求需要在有限元仿真中得到，通過公式得到的數(shù)值僅作為初步參考。

表3 盤式定子無鐵心永磁電機尺寸參數(shù)表

3 電磁場仿真與分析

3． 1建模及仿真

依據(jù)參數(shù)在Ansys Maxwell平臺建立3D模型，研究空載和負載狀態(tài)下的發(fā)電輸出特性。為了節(jié)約計算時間，在不影響精度的前提條件下，根據(jù)電機的周期對稱性建立了1/8等效模型。進行仿真計算之前，需對模型進行網(wǎng)格剖分，如圖2所示，在需要重點分析的區(qū)域如氣隙處網(wǎng)格要取得密集一些。

圖2 電機仿真模型剖分圖(截圖)

經(jīng)仿真計算之后可得氣隙磁密分布如圖3所示，氣隙磁密沿周向趨于正弦分布，在磁極中心線處磁密最大，幅值約為0．8 T，沿徑向成平定波分布，在內外徑兩端磁密最小。

圖3 氣隙磁密分布場圖(截圖)

3． 2 空載特性

空載特性包含磁鏈、感應電動勢和轉矩3個方面。發(fā)電機空載時，電樞繞組中的電流為0，不會對永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場造成影響。由于電樞繞組匝數(shù)固定，磁鏈的大小取決于穿過繞組的磁通，也就是氣隙磁場的分布情況，同時感應電動勢和磁鏈隨時間的變化率密切相關，A相磁鏈和感應電動勢波形如圖4、圖5所示，感應電動勢幅值約為220 V，滿足相電壓380 V的要求。無鐵心結構沒有齒槽定位轉矩，電磁轉矩趨近于0，仿真波形如圖6所示。

圖4 A相空載磁鏈特性圖

圖5 A相空載感應電動勢特性圖

圖6 空載轉矩特性圖

3． 3 負載特性

發(fā)電機負載時，由于無鐵心結構的盤式電機計算氣隙長度較長，產(chǎn)生的電樞反應較微弱，所以感應電動勢相對空載情況變化不大，A相電壓和電流如圖7、圖8所示。

圖9為電機的轉矩特性，由于沒有齒槽定位轉矩以及電樞反應較微弱，轉矩較為穩(wěn)定，大約在75 N·m。額定轉速條件下角速度為314 rad·s－1，可得額定功率約為23．55 kW，與式(4)所得38 kW有一定差距，但是能夠滿足設計需求。

圖7 A相電壓波形圖

圖8 A相電流波形圖

圖9 負載轉矩特性圖

3． 4轉速參數(shù)化分析

為了滿足行車取力發(fā)電的需求，需要考慮到不同工作轉速范圍內輸出的電壓變化范圍。當轉速變化時，感應電動勢幅值和周期隨之變化，圖10為不同轉速條件下空載電動勢的波形。可以看出，在1 000～6 000 r/min的工作轉速范圍內電壓幅值在80～500 V之間，波形較為穩(wěn)定，能夠滿足要求。

圖10 不同轉速條件下感應電動勢特性圖

4 結 語

本文從基本電磁關系出發(fā)，結合實際設計經(jīng)驗，得到了符合實際需求的盤式無鐵心永磁發(fā)電機尺寸和參數(shù)，并在Ansys Maxwell中進行了電磁場仿真。通過仿真結果可以看出，盤式無鐵心永磁發(fā)電機電樞反應較小，在轉速變化時感應電動勢波形平穩(wěn)，幅值范圍符合要求，能夠滿足取力發(fā)電系統(tǒng)的需求。同時，現(xiàn)有的基本尺寸公式計算所得的結果誤差較大，只能作為初步估算使用。

本文所設計的盤式定子無鐵心永磁電機雖然基本滿足了預期性能要求，但是還有進一步優(yōu)化的可能性和必要性。同時，對所得到的電機模型進行多物理場聯(lián)合仿真驗證，最終制作樣機，也是下一步研究工作的重點內容。

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