高速永磁同步发电机设计与分析

李芳玲，杨俊华，刘景辉，秦少勇，陈思哲

(1 广东工业大学，广州510006;2 国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广州510530;3.国网湖南省永州市供电公司，永州425900)

0 引 言

高速电机通常是指转速超过100 00 r/min 的电机。它们具有以下优点:一是由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于普通电机，可以有效地节约材料。二是可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪声小。三是由于高速电机转动惯量小，所以动态响应快［1］。

从飞机电力系统的发展来看，航空发电机的容量需求会越来越大，由于航空发电机产品应用领域的特殊性，要求发电机有较轻的重量和高的功率密度，所以航空发电机的转速要求越来越高。高速永磁电机在具有普通高速电机的转速高、功率密度大、材料利用率高、动态响应较快和传动系统效率高等特点的同时，还具有效率高、功率因数高的优点，因此永磁高速发电机在航空航天领域具有良好的应用前景［2-3］。

本文基于场路耦合的方法设计了一台100 000 r/min、1 000 W 的高速永磁同步发电机，然后利用电磁场有限元分析法，分析了该电机的空载及负载特性，计算了电机的电气损耗。本文设计的高速永磁同步发电机主要有两特点:(1)高功率密度，该功率密度高达3.73 kW/kg;(2)高转速，该电机的额定转速为100 000 r/min，定子绕组电流和铁心中的磁通交变频率为3 333 Hz。因此，高性能的高速永磁同步发电机的设计需要对电机内部磁场进行精确的分析，而基于路的计算和场的分析的场路耦合法能够满足这一要求［2］。

1 技术指标及主要尺寸

本文设计的高速永磁发电机主要用于战斗机、无人机等航空发电机系统。发电机由飞机发动机拖动发出交流电，经电源变换器整流后，给机载机电设备供电。该发电机的主要技术指标是经过电源变换器输出的直流功率、直流电压、直流电流。

电机的主要尺寸和计算功率、转速、电磁负荷有关，即［4］:

式中:Di1为定子内径;nN为额定转速;L 为计算长度;P'为计算功率;αP为计算极弧系数;KNM是气隙磁场波形系数;Kdp为绕组系数;A，Bδ分别为电机电负荷和气隙磁密。本文采用Ansys RMxprt 模块完成电机的电磁设计，电机主要尺寸及技术指标如表1 所示。

表1 发电机技术指标及主要尺寸

2 关键技术研究

由表1 可见，该发电机体积小、转速高、功率大，高功率密度技术和高转速技术是该电机研制的两个关键技术。

2.1 高功率密度技术

该电机功率密度高达3.73 kW/kg。同时高转速使绕组电流和铁心中磁通交变频率很大，使得电机铁耗和转子涡流损耗也急剧增加，使电机温升高。在电磁设计方面，本文主要采取以下技术:

(1)采用拼块式定子结构，集中绕组分别在T型块上绕制，导线排列均匀紧密，槽满率达到80%。

(2)选用高性能的釤钴磁钢，这种磁钢不但具有较高的剩磁和矫顽力，而且具有很好的耐热性能，其居里温度达200 ℃。

(3)采用高频损耗小、磁性能高的材料，从而可减小齿宽，增大槽面积，增大漆包线线径，减小绕组电阻，达到降低绕组铜损的目的。

(4)采用集中绕组，减少绕组端部长度，提高发电机有效绕组长度，同时减小绕组电阻。

2.2 高转速技术

发电机最高转速为100 000 r/min，而永磁磁钢在高速下受到很大的离心力。为防止磁钢出现高速下的损伤故障，在电磁及结构设计方面，主要采取以下技术:

(1)极对数的选择。极对数多使单块磁钢质量减小，离心力减小，转子能够承受更高的转速，但极对数的增加会使频率成倍增加，铁耗急剧增大。本设计综合考虑，取极对数为2;

(2)普通永磁材料抗压强度较大，但抗拉强度偏小，对于高速旋转的表贴式永磁电机，需要采取一定的措施保护永磁体［5-6］。因此，在磁钢外层加一层非导磁的钢护套，护套与磁钢之间紧配，并对磁钢施加一定预压力，增加磁钢的抗拉强度，保护磁钢不被甩出去。

(3)适当减小转子外径。在保证电机性能前提下，尽量减小转子外径，可以使磁钢线速度减小，离心力减少，使转子能承受更高的转速。

(4)在转子的各部件固定方式上避免采用螺钉。这是由于螺钉承受不了高速运转过程中产生的离心力，同时螺钉也增加了不平衡量，因此转子各部件之间采用过盈压装或激光焊接的方式。

3 电机有限元仿真分析

3.1 电机有限元仿真模型

使用ANSYS Maxwell 2D 对发电机进行建模，建立的二维有限元分析模型如图1 所示。

图1 高速永磁发电机的二维模型

建立模型后给发电机各个部分指定材料，添加边界条件、整流外电路和几何求解条件等几个步骤后，即可进行有限元计算。图2、图3 为电机有限元分析模型的网格剖分图和磁密云图。

图2 网格剖分

图3 磁密云图

3.2 外电路仿真模型

在Maxwell 2D 中，激励设置有电压源、电流源和外电路三种形式。本文电机输出直流电流和电压，因此，在设置激励源电路时，采用三相桥式不可控整流电路模拟电源变换器，将电机输出的交流电整流成直流电，图4 中直流侧负载为电阻，通过调节负载电阻，即可调节输出电压和电流。

图4 外电路模型

4 仿真结果分析

4.1 空载结果分析

表2 为发电机空载仿真结果，发电机空载时，反电势为39.2 V，整流后直流电压为53 V。

表2 空载仿真结果

图5、图6 为Maxwell 2D 瞬态场中仿真得到的反电势波形及其整流后的直流电压波形图。

对A 相反电势作FFT 分析，谐波分布如图7 所示，主要为5、7 次谐波，反电势THD=1.28%。

图7 空载反电势谐波分布

4.2 负载结果分析

表3 为发电机转速为100 000 r/min，负载电阻为1.3 Ω 时的仿真结果。整流后直流电压40 V，直流电流25.5 A，输出功率1 020 W，达到了表1 中的技术指标要求。

表3 负载仿真结果

图8 为带纯电阻负载时发电机输出的直流电压波形和反电势波形。

图8 发电机负载直流电压、电流波形

4.3 定子铁耗计算

电机定子铁耗可由下式估算:

式中:CFe为铁心损耗系数;GFe为铁心质量;Bm和f分别为电机运行时定子铁心实际磁通密度和磁通变化频率。发电机负载运行时，采用电磁场有限元分析法求得电机铁耗曲线如图8 所示，铁耗值约53 W。

图9 负载时定子铁耗

4.4 定子铜耗计算

当导线通过交流电时，因导线的内部和边缘部分所交链的磁通量不同，致使导线表面上的电流产生不均匀分布，相当于导线有效截面减少，这种现象称为趋肤效应。有效截面的减少可以用穿透深度来表示［2］:

式中:ω 为交变磁场的角频率;μ 和σ 分别为导体的磁导率和电导率。其中，ω =2πf，μ =4π ×10-7H/m，σ=5.8 ×107s/m。对于高速电机，由于转速高，电流频率大，磁场变化快，如果不采取一定措施，集肤效应将会十分明显，一般可以采用多根铜线并联的方式来限制集肤效应，使得交变磁场的透入深度大于导线的直径。本文电机定子绕组电流变化频率为3 333 Hz，根据式(3)计算，透入深度约为1.1 mm，本设计电机的绕组铜线为6 根并绕，线径0.5 mm，远小于透入深度，因此，集肤效应可忽略不计。

定子相绕组电阻为0.043 Ω、相电流为10.5 A时定子绕组铜耗14.2 W。铜耗仿真波形图如图10所示，其值为14.4 W，与计算值接近。

图10 定子铜耗

4.5 转子涡流损耗计算

转子涡流损耗在中低速的发电机中可以忽略不计，但在转速较高和极数较多的发电机中则变得比较大。由发电机槽开口引起的气隙磁导变化、定子磁动势的非正弦分布、绕组的谐波电流等因素的影响，将导致气隙磁场含有丰富的各次谐波，转子护套和磁钢在变化的谐波磁场中会产生感应电动势，形成涡流，引起较大的涡流损耗［2，7-8］，对于高速电机尤其明显。本文采用非导磁而导电的不锈钢转子护套，对进入转子的高频磁场可以起到一定的屏蔽作用，使得涡流损耗大部分产生在护套中，永磁体中涡流损耗减小，抑制磁钢的温升。通过仿真计算，得到转子护套中的损耗约为24 W，而磁钢中涡流损耗为11.7 W，约占转子涡流损耗1/3，如图11 所示。

图11 转子涡流损耗

5 结 语

本文讨论了高转速、高功率密度永磁同步发电机的关键技术及设计特点，设计了一款转速高、体积小、功率密度大的航空用永磁同步发电机，对电机的空载和负载性能进行了仿真。仿真结果表明，电机在额定转速100 000 r/min 时，发出的三相交流电经整流后满足电源变换器要求，同时对电机的定子铁耗和铜耗、转子涡流损耗等基本电气损耗进行了分析和计算。对高转速、高功率密度的永磁同步发电机的设计和仿真具有一定的指导意义。

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