馬巖

摘 要 盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)具有體積小、重量輕和軸向尺寸短等優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，電樞反應(yīng)相對(duì)較小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)的波形變化較為平穩(wěn)，可以滿足發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際需求。本文主要對(duì)盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)及電機(jī)的空載特性、負(fù)載特性與參數(shù)化仿真等內(nèi)容進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞 盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)；人力發(fā)電；電磁設(shè)計(jì)；空載特性；負(fù)載特性

1 盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)要求

盤式電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有多樣化的特點(diǎn)，與之相關(guān)的性能參數(shù)的計(jì)算過程較為復(fù)雜，一般情況下，發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)原理與電機(jī)電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)平均值及每相電流等因素有關(guān)[1]。本文中設(shè)計(jì)的盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的功率要求為22W。以下公式為盤式發(fā)電機(jī)的電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)平均值計(jì)算公式：

上述公式中的E為發(fā)電機(jī)電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)平均值；n為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；a為并聯(lián)支路數(shù)；αi指代的內(nèi)容為計(jì)算極弧系數(shù)；指代的內(nèi)容為氣隙磁密幅值；N用于指代每相導(dǎo)體數(shù)量；Do主要指的是電機(jī)外直徑；Di為電機(jī)的內(nèi)直徑。每相電流的計(jì)算公式如下所示：

上述公式中的I為每相電流；Auv指代的內(nèi)容為每相電流在平均直徑處的線負(fù)荷。

電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)要求與其各項(xiàng)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(jī)的軸向尺寸為15mm；徑向尺寸為65mm；相數(shù)為3相；轉(zhuǎn)速范圍在1000-6000r·min-1之間；正常工作轉(zhuǎn)速為3000r·min-1。

1.2 發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)有助于提升發(fā)電機(jī)的電磁功率。在發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)方面，發(fā)電機(jī)外直徑與電機(jī)內(nèi)直徑的比值是研究者所不可忽視的內(nèi)容。根據(jù)電磁功率極值求取結(jié)果，發(fā)電機(jī)在電機(jī)內(nèi)外直徑比值為時(shí)的輸出功率為發(fā)電機(jī)輸出電磁功率的最大值。根據(jù)盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)情況，電機(jī)內(nèi)外直徑的比值在1.7-2.2之間；本文所研究的盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的內(nèi)外直徑比為1.75。在內(nèi)外直徑比值確定以后，發(fā)電機(jī)的外直徑可以設(shè)計(jì)為65mm；內(nèi)直徑設(shè)計(jì)為37mm。此種電機(jī)具有散熱良好的特點(diǎn)，故而在參數(shù)設(shè)計(jì)方面，發(fā)電機(jī)的線負(fù)荷可以達(dá)到1.5A·mm-1。在考慮電機(jī)電磁功率因素以后，發(fā)電機(jī)在額定輸出功率為20W的情況下，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 發(fā)電機(jī)的磁極設(shè)計(jì)

退磁溫度為180℃的N45UH釹鐵硼是適用于盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)磁極設(shè)計(jì)的理想材料。此種材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.33T，極弧系數(shù)為0.8。如發(fā)電機(jī)中使用的磁極結(jié)構(gòu)為扇形結(jié)構(gòu)，計(jì)算極弧系數(shù)可以被看作是發(fā)電機(jī)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(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，發(fā)電機(jī)磁極的額定轉(zhuǎn)速可以確定為3000r/min，工作轉(zhuǎn)速可以控制在2000-6000r/min之間。在相對(duì)理想的運(yùn)行條件下，永磁體會(huì)在厚度與氣隙計(jì)算長(zhǎng)度相等時(shí)處于理想狀態(tài)。但是就盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)情況而言，永磁體的總厚度約為氣隙長(zhǎng)度的1～2倍，為保證發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的繞組厚度可以設(shè)置為9mm；單側(cè)氣隙為0.5mm；永磁體的厚度可以設(shè)置為2mm[2]。

1.4 發(fā)電機(jī)的繞組設(shè)計(jì)

非疊繞組也可以在盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)過程中得到應(yīng)用。這一設(shè)計(jì)方式的應(yīng)用，可以讓發(fā)電機(jī)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(jī)效率的同時(shí)，避免匝間短路故障的出現(xiàn)。根據(jù)無(wú)鐵心發(fā)電機(jī)的實(shí)際情況，虛擬齒槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)要素，極槽配合關(guān)系也是繞組分布的主要影響因素。假設(shè)電動(dòng)機(jī)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(gòu)成的元件通過串聯(lián)、并聯(lián)方式組成的電機(jī)相繞組具有定子齒數(shù)與元件數(shù)相等的特點(diǎn)。在每極每項(xiàng)槽數(shù)最簡(jiǎn)分子式中，元件組的串聯(lián)元件數(shù)可以被看作是分子質(zhì)量。在額定電壓幅值為20V的情況下，盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的每項(xiàng)串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為120，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)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(shí)際需求。

2 盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的仿真研究

2.1 空載特性仿真分析

發(fā)電機(jī)空載特性與磁鏈、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩等因素有關(guān)。若發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，電樞繞組中的電流為0，電樞繞組也不會(huì)影響永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)。在電樞繞組匝數(shù)相對(duì)固定的情況下，穿過繞組的磁通會(huì)成為磁鏈大小的決定因素。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁鏈會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。本文中設(shè)計(jì)的盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值為20V，可以滿足相電壓的要求。

2.2 負(fù)載特性仿真分析

在負(fù)載特性方面，盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的計(jì)算氣隙長(zhǎng)度較長(zhǎng)，產(chǎn)生的電樞反應(yīng)較弱，故而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)發(fā)電機(jī)空載情況的影響相對(duì)有限。受電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性影響，盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的額定功率約為24W，可以滿足發(fā)電機(jī)的實(shí)際需求。

2.3 轉(zhuǎn)速參數(shù)化仿真分析

本文中論述的盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)需要應(yīng)用于人力手搖發(fā)電過程中，針對(duì)發(fā)電機(jī)在不同工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出的變壓變化范圍，電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值和周期會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，在2000-6000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)電壓幅值在8-50V之間。根據(jù)人體工程學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)，在發(fā)電機(jī)輸入端配置相應(yīng)增速比的增速器，就可以有效滿足人力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

盤式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)具有電樞反應(yīng)小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形平穩(wěn)的特點(diǎn)。在電動(dòng)機(jī)滿足預(yù)期性能要求的情況下，根據(jù)基本電磁關(guān)系對(duì)這一設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和完善，就可以滿足人力發(fā)電以及其他領(lǐng)域應(yīng)用的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李玉彬，楊宗霄.非均勻磁極盤式無(wú)鐵心永磁ISG電機(jī)設(shè)計(jì)與分析[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，39（04）：28-33+6.

[2] 呂曉威，羅玲，李丹，王震.基于正交試驗(yàn)法的盤式無(wú)鐵心永磁同步發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2013，41（03）：11-14.