盤式無鐵心永磁發(fā)電機電磁設(shè)計和仿真

趙錦成，閆羽佳，孟繁敬

(1．軍械工程學(xué)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(zhuǎn)矩密度要求較高的領(lǐng)域［2－6］。由于盤式電機拓撲結(jié)構(gòu)多樣，性能參數(shù)計算復(fù)雜，所以如何設(shè)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(jié)合有限元法，設(shè)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(chǔ)。

1 盤式無鐵心永磁發(fā)電機的結(jié)構(gòu)

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

圖1 盤式定子無鐵心永磁電機結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)子由原動機帶動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，定子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場交鏈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，輸出電磁功率。無鐵心結(jié)構(gòu)消除了齒槽轉(zhuǎn)矩和磁路飽和等影響，降低了電機質(zhì)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(shè)計

2． 1 電機設(shè)計原理［8－10］

盤式發(fā)電機電樞繞組感應(yīng)電動勢平均值:

得到m相電機電磁功率:

式中:n為轉(zhuǎn)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(dǎo)體數(shù);Do為電機外直徑;Di為電機內(nèi)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(shè)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(shè)計

本設(shè)計首要目的是在一定尺寸范圍內(nèi)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(dāng)λ為槡3時輸出電磁功率最大。結(jié)合文獻中的實際設(shè)計經(jīng)驗，λ一般取值范圍為1．7 ～2．2，本設(shè)計取為 1．75。λ 確定之后，外徑Do取最大值280 mm，則內(nèi)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(yù)期要求。

2． 4電機磁極設(shè)計

磁極選用退磁溫度180℃的N45UH釹鐵硼，剩余磁感應(yīng)強度為1．33 T，極弧系數(shù)取為0．8，采用扇形結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)速為3 000 r/min，工作轉(zhuǎn)速范在1 000～6 000 r/min，屬于中等轉(zhuǎn)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(shè)計采用9 mm厚度繞組和1 mm單側(cè)氣隙，永磁體厚度采用6 mm。

2． 5電機繞組設(shè)計

本文設(shè)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(jié)構(gòu)中，極槽配合關(guān)系是決定繞組分布的關(guān)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(gòu)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(jié)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(guān)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(dǎo)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(shè)計采用16極24槽結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(yīng)電動勢和轉(zhuǎn)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(yīng)電動勢和磁鏈隨時間的變化率密切相關(guān)，A相磁鏈和感應(yīng)電動勢波形如圖4、圖5所示，感應(yīng)電動勢幅值約為220 V，滿足相電壓380 V的要求。無鐵心結(jié)構(gòu)沒有齒槽定位轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)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(yīng)電動勢特性圖

圖6 空載轉(zhuǎn)矩特性圖

3． 3 負載特性

發(fā)電機負載時，由于無鐵心結(jié)構(gòu)的盤式電機計算氣隙長度較長，產(chǎn)生的電樞反應(yīng)較微弱，所以感應(yīng)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(zhuǎn)矩特性，由于沒有齒槽定位轉(zhuǎn)矩以及電樞反應(yīng)較微弱，轉(zhuǎn)矩較為穩(wěn)定，大約在75 N·m。額定轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)矩特性圖

3． 4轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出的電壓變化范圍。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，感應(yīng)電動勢幅值和周期隨之變化，圖10為不同轉(zhuǎn)速條件下空載電動勢的波形?？梢钥闯?，在1 000～6 000 r/min的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)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(zhuǎn)速條件下感應(yīng)電動勢特性圖

4 結(jié) 語

本文從基本電磁關(guān)系出發(fā)，結(jié)合實際設(shè)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(jié)果可以看出，盤式無鐵心永磁發(fā)電機電樞反應(yīng)較小，在轉(zhuǎn)速變化時感應(yīng)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(jié)果誤差較大，只能作為初步估算使用。

本文所設(shè)計的盤式定子無鐵心永磁電機雖然基本滿足了預(yù)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(nèi)容。

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