馬巖

摘 要 盤式無鐵心永磁發(fā)電機具有體積小、重量輕和軸向尺寸短等優(yōu)勢。在實際運行過程中，電樞反應相對較小，感應電動勢在電機轉速發(fā)生變化時的波形變化較為平穩(wěn)，可以滿足發(fā)電系統(tǒng)的實際需求。本文主要對盤式無鐵心永磁發(fā)電機的電磁設計及電機的空載特性、負載特性與參數(shù)化仿真等內容進行分析。

關鍵詞 盤式無鐵心永磁發(fā)電機；人力發(fā)電；電磁設計；空載特性；負載特性

1 盤式無鐵心永磁發(fā)電機的電磁設計

1.1 發(fā)電機電磁設計的設計原理與設計要求

盤式電機的拓撲結構具有多樣化的特點，與之相關的性能參數(shù)的計算過程較為復雜，一般情況下，發(fā)電機的電磁設計原理與電機電樞繞組感應電動勢平均值及每相電流等因素有關[1]。本文中設計的盤式無鐵心永磁發(fā)電機的功率要求為22W。以下公式為盤式發(fā)電機的電樞繞組感應電動勢平均值計算公式：

上述公式中的E為發(fā)電機電樞繞組感應電動勢平均值；n為發(fā)電機的轉速；a為并聯(lián)支路數(shù)；αi指代的內容為計算極弧系數(shù)；指代的內容為氣隙磁密幅值；N用于指代每相導體數(shù)量；Do主要指的是電機外直徑；Di為電機的內直徑。每相電流的計算公式如下所示：

上述公式中的I為每相電流；Auv指代的內容為每相電流在平均直徑處的線負荷。

電機的電磁設計要求與其各項初始參數(shù)之間存在一定聯(lián)系，如適用于人力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機的軸向尺寸為15mm；徑向尺寸為65mm；相數(shù)為3相；轉速范圍在1000-6000r·min-1之間；正常工作轉速為3000r·min-1。

1.2 發(fā)電機的主要參數(shù)設計

發(fā)電機參數(shù)設計有助于提升發(fā)電機的電磁功率。在發(fā)電機參數(shù)設計方面，發(fā)電機外直徑與電機內直徑的比值是研究者所不可忽視的內容。根據(jù)電磁功率極值求取結果，發(fā)電機在電機內外直徑比值為時的輸出功率為發(fā)電機輸出電磁功率的最大值。根據(jù)盤式無鐵心永磁發(fā)電機的設計情況，電機內外直徑的比值在1.7-2.2之間；本文所研究的盤式無鐵心永磁發(fā)電機的內外直徑比為1.75。在內外直徑比值確定以后，發(fā)電機的外直徑可以設計為65mm；內直徑設計為37mm。此種電機具有散熱良好的特點，故而在參數(shù)設計方面，發(fā)電機的線負荷可以達到1.5A·mm-1。在考慮電機電磁功率因素以后，發(fā)電機在額定輸出功率為20W的情況下，可以滿足設計要求。

1.3 發(fā)電機的磁極設計

退磁溫度為180℃的N45UH釹鐵硼是適用于盤式無鐵心永磁發(fā)電機磁極設計的理想材料。此種材料的剩余磁感應強度為1.33T，極弧系數(shù)為0.8。如發(fā)電機中使用的磁極結構為扇形結構，計算極弧系數(shù)可以被看作是發(fā)電機的極弧系數(shù)。有限元仿真分析是確定氣隙磁密幅值的主要依據(jù)，在盤式無鐵心永磁發(fā)電機設計領域，發(fā)電機磁極的額定轉速可以確定為3000r/min，工作轉速可以控制在2000-6000r/min之間。在相對理想的運行條件下，永磁體會在厚度與氣隙計算長度相等時處于理想狀態(tài)。但是就盤式無鐵心永磁發(fā)電機的電磁設計情況而言，永磁體的總厚度約為氣隙長度的1～2倍，為保證發(fā)電機的穩(wěn)定運行，發(fā)電機的繞組厚度可以設置為9mm；單側氣隙為0.5mm；永磁體的厚度可以設置為2mm[2]。

1.4 發(fā)電機的繞組設計

非疊繞組也可以在盤式無鐵心永磁發(fā)電機設計過程中得到應用。這一設計方式的應用，可以讓發(fā)電機的用銅量與銅耗量低于分布式疊繞組的用銅量與耗銅量。非疊繞組可以在提高電機效率的同時，避免匝間短路故障的出現(xiàn)。根據(jù)無鐵心發(fā)電機的實際情況，虛擬齒槽結構設計是發(fā)電機設計中的難點要素，極槽配合關系也是繞組分布的主要影響因素。假設電動機的非疊繞組為m相集中非疊繞組，元件的兩條邊需要放置在臨近的兩槽之中，連續(xù)元件構成的元件通過串聯(lián)、并聯(lián)方式組成的電機相繞組具有定子齒數(shù)與元件數(shù)相等的特點。在每極每項槽數(shù)最簡分子式中，元件組的串聯(lián)元件數(shù)可以被看作是分子質量。在額定電壓幅值為20V的情況下，盤式無鐵心永磁發(fā)電機的每項串聯(lián)導體數(shù)為120，發(fā)電機設計者可以利用總線圈數(shù)控制每相繞組的匝數(shù)。在發(fā)電機設計過程中，相關人員也可以通過有限元仿真分析，分析額定電壓與功率是否滿足發(fā)電系統(tǒng)的實際需求。

2 盤式無鐵心永磁發(fā)電機的仿真研究

2.1 空載特性仿真分析

發(fā)電機空載特性與磁鏈、感應電動勢和轉矩等因素有關。若發(fā)電機處于空載運行狀態(tài)，電樞繞組中的電流為0，電樞繞組也不會影響永磁體產生的氣隙磁場。在電樞繞組匝數(shù)相對固定的情況下，穿過繞組的磁通會成為磁鏈大小的決定因素。感應電動勢與磁鏈會隨著時間的變化而變化。本文中設計的盤式無鐵心永磁發(fā)電機的感應電動勢幅值為20V，可以滿足相電壓的要求。

2.2 負載特性仿真分析

在負載特性方面，盤式無鐵心永磁發(fā)電機的計算氣隙長度較長，產生的電樞反應較弱，故而感應電動勢對發(fā)電機空載情況的影響相對有限。受電機的轉矩特性影響，盤式無鐵心永磁發(fā)電機的額定功率約為24W，可以滿足發(fā)電機的實際需求。

2.3 轉速參數(shù)化仿真分析

本文中論述的盤式無鐵心永磁發(fā)電機需要應用于人力手搖發(fā)電過程中，針對發(fā)電機在不同工作轉速范圍內輸出的變壓變化范圍，電動機感應電動勢幅值和周期會隨著轉速的變化而變化，在2000-6000r/min轉速范圍內，發(fā)電機電壓幅值在8-50V之間。根據(jù)人體工程學的相關數(shù)據(jù)，在發(fā)電機輸入端配置相應增速比的增速器，就可以有效滿足人力發(fā)電系統(tǒng)的實際需求。

3 結束語

盤式無鐵心永磁發(fā)電機具有電樞反應小，感應電動勢波形平穩(wěn)的特點。在電動機滿足預期性能要求的情況下，根據(jù)基本電磁關系對這一設備進行適當?shù)母倪M和完善，就可以滿足人力發(fā)電以及其他領域應用的要求。

參考文獻

[1] 李玉彬，楊宗霄.非均勻磁極盤式無鐵心永磁ISG電機設計與分析[J].河南科技大學學報（自然科學版），2018，39（04）：28-33+6.

[2] 呂曉威，羅玲，李丹，王震.基于正交試驗法的盤式無鐵心永磁同步發(fā)電機優(yōu)化設計[J].微特電機，2013，41（03）：11-14.