李芳玲，楊俊華，劉景輝，秦少勇，陳思哲

(1 廣東工業(yè)大學(xué)，廣州510006;2 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣州510530;3.國網(wǎng)湖南省永州市供電公司，永州425900)

0 引 言

高速電機通常是指轉(zhuǎn)速超過100 00 r/min 的電機。它們具有以下優(yōu)點:一是由于轉(zhuǎn)速高，所以電機功率密度高，而體積遠小于普通電機，可以有效地節(jié)約材料。二是可與原動機相連，取消了傳統(tǒng)的減速機構(gòu)，傳動效率高，噪聲小。三是由于高速電機轉(zhuǎn)動慣量小，所以動態(tài)響應(yīng)快［1］。

從飛機電力系統(tǒng)的發(fā)展來看，航空發(fā)電機的容量需求會越來越大，由于航空發(fā)電機產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，要求發(fā)電機有較輕的重量和高的功率密度，所以航空發(fā)電機的轉(zhuǎn)速要求越來越高。高速永磁電機在具有普通高速電機的轉(zhuǎn)速高、功率密度大、材料利用率高、動態(tài)響應(yīng)較快和傳動系統(tǒng)效率高等特點的同時，還具有效率高、功率因數(shù)高的優(yōu)點，因此永磁高速發(fā)電機在航空航天領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景［2-3］。

本文基于場路耦合的方法設(shè)計了一臺100 000 r/min、1 000 W 的高速永磁同步發(fā)電機，然后利用電磁場有限元分析法，分析了該電機的空載及負載特性，計算了電機的電氣損耗。本文設(shè)計的高速永磁同步發(fā)電機主要有兩特點:(1)高功率密度，該功率密度高達3.73 kW/kg;(2)高轉(zhuǎn)速，該電機的額定轉(zhuǎn)速為100 000 r/min，定子繞組電流和鐵心中的磁通交變頻率為3 333 Hz。因此，高性能的高速永磁同步發(fā)電機的設(shè)計需要對電機內(nèi)部磁場進行精確的分析，而基于路的計算和場的分析的場路耦合法能夠滿足這一要求［2］。

1 技術(shù)指標及主要尺寸

本文設(shè)計的高速永磁發(fā)電機主要用于戰(zhàn)斗機、無人機等航空發(fā)電機系統(tǒng)。發(fā)電機由飛機發(fā)動機拖動發(fā)出交流電，經(jīng)電源變換器整流后，給機載機電設(shè)備供電。該發(fā)電機的主要技術(shù)指標是經(jīng)過電源變換器輸出的直流功率、直流電壓、直流電流。

電機的主要尺寸和計算功率、轉(zhuǎn)速、電磁負荷有關(guān)，即［4］:

式中:Di1為定子內(nèi)徑;nN為額定轉(zhuǎn)速;L 為計算長度;P'為計算功率;αP為計算極弧系數(shù);KNM是氣隙磁場波形系數(shù);Kdp為繞組系數(shù);A，Bδ分別為電機電負荷和氣隙磁密。本文采用Ansys RMxprt 模塊完成電機的電磁設(shè)計，電機主要尺寸及技術(shù)指標如表1 所示。

表1 發(fā)電機技術(shù)指標及主要尺寸

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

由表1 可見，該發(fā)電機體積小、轉(zhuǎn)速高、功率大，高功率密度技術(shù)和高轉(zhuǎn)速技術(shù)是該電機研制的兩個關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 高功率密度技術(shù)

該電機功率密度高達3.73 kW/kg。同時高轉(zhuǎn)速使繞組電流和鐵心中磁通交變頻率很大，使得電機鐵耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗也急劇增加，使電機溫升高。在電磁設(shè)計方面，本文主要采取以下技術(shù):

(1)采用拼塊式定子結(jié)構(gòu)，集中繞組分別在T型塊上繞制，導(dǎo)線排列均勻緊密，槽滿率達到80%。

(2)選用高性能的釤鈷磁鋼，這種磁鋼不但具有較高的剩磁和矯頑力，而且具有很好的耐熱性能，其居里溫度達200 ℃。

(3)采用高頻損耗小、磁性能高的材料，從而可減小齒寬，增大槽面積，增大漆包線線徑，減小繞組電阻，達到降低繞組銅損的目的。

(4)采用集中繞組，減少繞組端部長度，提高發(fā)電機有效繞組長度，同時減小繞組電阻。

2.2 高轉(zhuǎn)速技術(shù)

發(fā)電機最高轉(zhuǎn)速為100 000 r/min，而永磁磁鋼在高速下受到很大的離心力。為防止磁鋼出現(xiàn)高速下的損傷故障，在電磁及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，主要采取以下技術(shù):

(1)極對數(shù)的選擇。極對數(shù)多使單塊磁鋼質(zhì)量減小，離心力減小，轉(zhuǎn)子能夠承受更高的轉(zhuǎn)速，但極對數(shù)的增加會使頻率成倍增加，鐵耗急劇增大。本設(shè)計綜合考慮，取極對數(shù)為2;

(2)普通永磁材料抗壓強度較大，但抗拉強度偏小，對于高速旋轉(zhuǎn)的表貼式永磁電機，需要采取一定的措施保護永磁體［5-6］。因此，在磁鋼外層加一層非導(dǎo)磁的鋼護套，護套與磁鋼之間緊配，并對磁鋼施加一定預(yù)壓力，增加磁鋼的抗拉強度，保護磁鋼不被甩出去。

(3)適當減小轉(zhuǎn)子外徑。在保證電機性能前提下，盡量減小轉(zhuǎn)子外徑，可以使磁鋼線速度減小，離心力減少，使轉(zhuǎn)子能承受更高的轉(zhuǎn)速。

(4)在轉(zhuǎn)子的各部件固定方式上避免采用螺釘。這是由于螺釘承受不了高速運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力，同時螺釘也增加了不平衡量，因此轉(zhuǎn)子各部件之間采用過盈壓裝或激光焊接的方式。

3 電機有限元仿真分析

3.1 電機有限元仿真模型

使用ANSYS Maxwell 2D 對發(fā)電機進行建模，建立的二維有限元分析模型如圖1 所示。

圖1 高速永磁發(fā)電機的二維模型

建立模型后給發(fā)電機各個部分指定材料，添加邊界條件、整流外電路和幾何求解條件等幾個步驟后，即可進行有限元計算。圖2、圖3 為電機有限元分析模型的網(wǎng)格剖分圖和磁密云圖。

圖2 網(wǎng)格剖分

圖3 磁密云圖

3.2 外電路仿真模型

在Maxwell 2D 中，激勵設(shè)置有電壓源、電流源和外電路三種形式。本文電機輸出直流電流和電壓，因此，在設(shè)置激勵源電路時，采用三相橋式不可控整流電路模擬電源變換器，將電機輸出的交流電整流成直流電，圖4 中直流側(cè)負載為電阻，通過調(diào)節(jié)負載電阻，即可調(diào)節(jié)輸出電壓和電流。

圖4 外電路模型

4 仿真結(jié)果分析

4.1 空載結(jié)果分析

表2 為發(fā)電機空載仿真結(jié)果，發(fā)電機空載時，反電勢為39.2 V，整流后直流電壓為53 V。

表2 空載仿真結(jié)果

圖5、圖6 為Maxwell 2D 瞬態(tài)場中仿真得到的反電勢波形及其整流后的直流電壓波形圖。

對A 相反電勢作FFT 分析，諧波分布如圖7 所示，主要為5、7 次諧波，反電勢THD=1.28%。

圖7 空載反電勢諧波分布

4.2 負載結(jié)果分析

表3 為發(fā)電機轉(zhuǎn)速為100 000 r/min，負載電阻為1.3 Ω 時的仿真結(jié)果。整流后直流電壓40 V，直流電流25.5 A，輸出功率1 020 W，達到了表1 中的技術(shù)指標要求。

表3 負載仿真結(jié)果

圖8 為帶純電阻負載時發(fā)電機輸出的直流電壓波形和反電勢波形。

圖8 發(fā)電機負載直流電壓、電流波形

4.3 定子鐵耗計算

電機定子鐵耗可由下式估算:

式中:CFe為鐵心損耗系數(shù);GFe為鐵心質(zhì)量;Bm和f分別為電機運行時定子鐵心實際磁通密度和磁通變化頻率。發(fā)電機負載運行時，采用電磁場有限元分析法求得電機鐵耗曲線如圖8 所示，鐵耗值約53 W。

圖9 負載時定子鐵耗

4.4 定子銅耗計算

當導(dǎo)線通過交流電時，因?qū)Ь€的內(nèi)部和邊緣部分所交鏈的磁通量不同，致使導(dǎo)線表面上的電流產(chǎn)生不均勻分布，相當于導(dǎo)線有效截面減少，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。有效截面的減少可以用穿透深度來表示［2］:

式中:ω 為交變磁場的角頻率;μ 和σ 分別為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。其中，ω =2πf，μ =4π ×10-7H/m，σ=5.8 ×107s/m。對于高速電機，由于轉(zhuǎn)速高，電流頻率大，磁場變化快，如果不采取一定措施，集膚效應(yīng)將會十分明顯，一般可以采用多根銅線并聯(lián)的方式來限制集膚效應(yīng)，使得交變磁場的透入深度大于導(dǎo)線的直徑。本文電機定子繞組電流變化頻率為3 333 Hz，根據(jù)式(3)計算，透入深度約為1.1 mm，本設(shè)計電機的繞組銅線為6 根并繞，線徑0.5 mm，遠小于透入深度，因此，集膚效應(yīng)可忽略不計。

定子相繞組電阻為0.043 Ω、相電流為10.5 A時定子繞組銅耗14.2 W。銅耗仿真波形圖如圖10所示，其值為14.4 W，與計算值接近。

圖10 定子銅耗

4.5 轉(zhuǎn)子渦流損耗計算

轉(zhuǎn)子渦流損耗在中低速的發(fā)電機中可以忽略不計，但在轉(zhuǎn)速較高和極數(shù)較多的發(fā)電機中則變得比較大。由發(fā)電機槽開口引起的氣隙磁導(dǎo)變化、定子磁動勢的非正弦分布、繞組的諧波電流等因素的影響，將導(dǎo)致氣隙磁場含有豐富的各次諧波，轉(zhuǎn)子護套和磁鋼在變化的諧波磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成渦流，引起較大的渦流損耗［2，7-8］，對于高速電機尤其明顯。本文采用非導(dǎo)磁而導(dǎo)電的不銹鋼轉(zhuǎn)子護套，對進入轉(zhuǎn)子的高頻磁場可以起到一定的屏蔽作用，使得渦流損耗大部分產(chǎn)生在護套中，永磁體中渦流損耗減小，抑制磁鋼的溫升。通過仿真計算，得到轉(zhuǎn)子護套中的損耗約為24 W，而磁鋼中渦流損耗為11.7 W，約占轉(zhuǎn)子渦流損耗1/3，如圖11 所示。

圖11 轉(zhuǎn)子渦流損耗

5 結(jié) 語

本文討論了高轉(zhuǎn)速、高功率密度永磁同步發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計特點，設(shè)計了一款轉(zhuǎn)速高、體積小、功率密度大的航空用永磁同步發(fā)電機，對電機的空載和負載性能進行了仿真。仿真結(jié)果表明，電機在額定轉(zhuǎn)速100 000 r/min 時，發(fā)出的三相交流電經(jīng)整流后滿足電源變換器要求，同時對電機的定子鐵耗和銅耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗等基本電氣損耗進行了分析和計算。對高轉(zhuǎn)速、高功率密度的永磁同步發(fā)電機的設(shè)計和仿真具有一定的指導(dǎo)意義。

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