高速永磁同步發電機設計與分析

李芳玲，楊俊華，劉景輝，秦少勇，陳思哲

(1 廣東工業大學，廣州510006;2 國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣州510530;3.國網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速超過100 00 r/min 的電機。它們具有以下優點:一是由于轉速高，所以電機功率密度高，而體積遠小于普通電機，可以有效地節約材料。二是可與原動機相連，取消了傳統的減速機構，傳動效率高，噪聲小。三是由于高速電機轉動慣量小，所以動態響應快［1］。

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

本文基于場路耦合的方法設計了一臺100 000 r/min、1 000 W 的高速永磁同步發電機，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。本文設計的高速永磁同步發電機主要有兩特點:(1)高功率密度，該功率密度高達3.73 kW/kg;(2)高轉速，該電機的額定轉速為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電機的設計需要對電機內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 技術指標及主要尺寸

本文設計的高速永磁發電機主要用于戰斗機、無人機等航空發電機系統。發電機由飛機發動機拖動發出交流電，經電源變換器整流后，給機載機電設備供電。該發電機的主要技術指標是經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、轉速、電磁負荷有關，即［4］:

式中:Di1為定子內徑;nN為額定轉速;L 為計算長度;P'為計算功率;αP為計算極弧系數;KNM是氣隙磁場波形系數;Kdp為繞組系數;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計，電機主要尺寸及技術指標如表1 所示。

表1 發電機技術指標及主要尺寸

2 關鍵技術研究

由表1 可見，該發電機體積小、轉速高、功率大，高功率密度技術和高轉速技術是該電機研制的兩個關鍵技術。

2.1 高功率密度技術

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

(1)采用拼塊式定子結構，集中繞組分別在T型塊上繞制，導線排列均勻緊密，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，提高發電機有效繞組長度，同時減小繞組電阻。

2.2 高轉速技術

發電機最高轉速為100 000 r/min，而永磁磁鋼在高速下受到很大的離心力。為防止磁鋼出現高速下的損傷故障，在電磁及結構設計方面，主要采取以下技術:

(1)極對數的選擇。極對數多使單塊磁鋼質量減小，離心力減小，轉子能夠承受更高的轉速，但極對數的增加會使頻率成倍增加，鐵耗急劇增大。本設計綜合考慮，取極對數為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磁的鋼護套，護套與磁鋼之間緊配，并對磁鋼施加一定預壓力，增加磁鋼的抗拉強度，保護磁鋼不被甩出去。

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

(4)在轉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過程中產生的離心力，同時螺釘也增加了不平衡量，因此轉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 高速永磁發電機的二維模型

建立模型后給發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格剖分圖和磁密云圖。

圖2 網格剖分

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 中直流側負載為電阻，通過調節負載電阻，即可調節輸出電壓和電流。

圖4 外電路模型

4 仿真結果分析

4.1 空載結果分析

表2 為發電機空載仿真結果，發電機空載時，反電勢為39.2 V，整流后直流電壓為53 V。

表2 空載仿真結果

圖5、圖6 為Maxwell 2D 瞬態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 負載結果分析

表3 為發電機轉速為100 000 r/min，負載電阻為1.3 Ω 時的仿真結果。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 中的技術指標要求。

表3 負載仿真結果

圖8 為帶純電阻負載時發電機輸出的直流電壓波形和反電勢波形。

圖8 發電機負載直流電壓、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;GFe為鐵心質量;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

當導線通過交流電時，因導線的內部和邊緣部分所交鏈的磁通量不同，致使導線表面上的電流產生不均勻分布，相當于導線有效截面減少，這種現象稱為趨膚效應。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 分別為導體的磁導率和電導率。其中，ω =2πf，μ =4π ×10-7H/m，σ=5.8 ×107s/m。對于高速電機，由于轉速高，電流頻率大，磁場變化快，如果不采取一定措施，集膚效應將會十分明顯，一般可以采用多根銅線并聯的方式來限制集膚效應，使得交變磁場的透入深度大于導線的直徑。本文電機定子繞組電流變化頻率為3 333 Hz，根據式(3)計算，透入深度約為1.1 mm，本設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 轉子渦流損耗計算

轉子渦流損耗在中低速的發電機中可以忽略不計，但在轉速較高和極數較多的發電機中則變得比較大。由發電機槽開口引起的氣隙磁導變化、定子磁動勢的非正弦分布、繞組的諧波電流等因素的影響，將導致氣隙磁場含有豐富的各次諧波，轉子護套和磁鋼在變化的諧波磁場中會產生感應電動勢，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。本文采用非導磁而導電的不銹鋼轉子護套，對進入轉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，約占轉子渦流損耗1/3，如圖11 所示。

圖11 轉子渦流損耗

5 結 語

本文討論了高轉速、高功率密度永磁同步發電機的關鍵技術及設計特點，設計了一款轉速高、體積小、功率密度大的航空用永磁同步發電機，對電機的空載和負載性能進行了仿真。仿真結果表明，電機在額定轉速100 000 r/min 時，發出的三相交流電經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、轉子渦流損耗等基本電氣損耗進行了分析和計算。對高轉速、高功率密度的永磁同步發電機的設計和仿真具有一定的指導意義。

［1］ 王鳳翔.高速電機的設計特點及相關技術研究［J］. 沈陽工業大學學報，2006，28(3):258 -264.

［2］ 王繼強，王鳳翔，孔曉光.高速永磁發電機的設計與電磁性能分析［J］.中國電機工程學報，2008，28(20):105 -110.

［3］ BINDER A，SCHNEIDER T，KIOHR M. Fixation of buried and surface mounted magnets in high -speed permanent magnet synchronous motors［C］//Conference Record of the IEEE Industry Applications Society Fortieth Annual Meeting.2005:2843 -2848.

［4］ 陳世坤.電機設計［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［5］ 王繼強，王鳳翔，鮑文博，等.高速永磁電機轉子設計與強度分析［J］.中國電機工程學報，2005，25(15):140 -145.

［6］ ARKKIO A，JOKINENT，LANTTO E. Induction and permanent -magnet synchronous machines for high speed applications［C］//The 8th International Conference on Electrical Machines and Systems.Nanjing，China，2005(2):871 -876.

［7］ SATO K，YOSHIZAWA M，FUKUSHIMA T.Traction systems using power electronics for Shinkansen high -speed electric multiple units［C］//International Power Electronics Conference(IPEC).2010(2):2859 -2866.

［8］ WANG Fengxiang，ZONG Ming，ZHENG Wenpeng，et al. Design features of high speed PM machine［C］//The 6th international Conferrence on Electrical Machine and Systems(ICEMS＇2003).Beijing，China，2003(2):66 -70.