適用于微型渦噴發動機的高速永磁發電機的設計優化

楊志來

摘要：優化微型渦噴發動機中高速永磁發電機的設計能夠增強微型渦噴發動機的使用性能。基于此，本文從設計優化意義展開論述，詳細闡述了定子設計優化、轉子設計優化、尺寸優化設計、最優結果計算分析這幾項高速永磁發電機的設計優化過程，希望能夠為微型渦噴發動機設計水平的發展提供助力。

關鍵詞：高速永磁;微型渦噴發動機;發電機

0 ?引言

微型渦噴發動機簡稱MTE，其所具備的造價低、能耗少、性能強等優勢，使其成為了當前微小型飛行器動力技術領域的重要研究課題，而高速永磁發電機的應用，可以深入優化其使用性能，因此，工作者應深入分析基于高速永磁發電機的設計優化，使高速永磁發電機能夠充分發揮其優勢效用，提升MTE運行水平。

1 ?設計優化意義

就目前來看，微型渦噴發動機的體積僅為常規渦輪發動機的1/100～1/10，如圖1，因此其具有能耗低、重量小的優勢，而且由于其結構簡單，所以也具備造價成本低的特點。但在此過程中，如果采用常規的燃料電池為其供電，那么發動機就會因電池的重量過大，導致上述優勢失去效用。為此，研究者提出采用高速永磁發電機，并利用其高效、輕重、小型的特質，來配合微型渦噴發動機更好地發揮其自身的優勢，促進小型飛行器動力技術的發展，因此，研究者需要基于微型渦噴發動機的運行平穩性、續航能力等性能方面，以縮小體積為目標，對高速永磁發電機進行設計優化，解決潛在的溫升、損耗、散熱等實際運行問題，使其能夠更好地配合微型渦噴發動機的運行，增強整體發動機系統運行的可靠性。

2 ?設計優化過程

2.1 定子設計優化

2.1.1 鐵心材料設計優化

在高速永磁發動機的運行中，由于其轉速高出常規電機幾十倍，所以其內部鐵心的能耗也遠遠高于常規電機，由此可知，鐵心是影響溫升、能耗等參數狀態的重要因素。為此，研究者需要先針對其構造材料來進行優化，提高鐵心的使用性能。在此過程中，降低鐵心能耗的方式主要有兩種，即采用低損耗鐵心材料、采用低密度鐵心材料，研究者通過平衡兩種方法的優勢，選取了超薄型低損耗冷軋電工鋼片作為鐵心材料。

2.1.2 鐵心結構設計優化

一般來說，鐵心的結構類型主要包括無槽式、少槽式以及多槽式。其中無槽式的優勢主要體現在高頻齒諧波磁場規避方面，能夠減少定子能耗，但磁場較小，會降低材料利用率。而少槽式定子的氣隙磁場大，但其容易產生大幅值的高頻齒諧波磁場，提高鐵心損耗。然而相較于上述兩種鐵心結構，多槽式鐵心結構能夠平衡材料利用率與高頻齒諧波磁場形成這兩點要素，因此，此次設計中研究者采用了多槽式的鐵心結構。

2.1.3 繞組形式設計優化

在優化設計中，研究者需要考慮到，由于此次優化以最小化體積為目標，因此，高速永磁發電機中的空間較小，應采用一種節省空間的方式，來進行發電機的繞組布置。為此，研究者為了達到最優的感應電動勢，同時，考慮到空間小的問題，最終選擇了雙層分布繞組法，且結合了多股并繞的方式進行，緩解了雙層分布繞組法條件下，存在的集膚效應與臨近效應，降低了渦流能耗，然后完成了高速永磁發動機的定子優化設計，在一定程度上削弱了溫升、能耗問題。

2.2 轉子設計優化

在高速永磁發動機的運行中，轉子結構需要承受機械轉動過程中產生的拉應力，而當前永磁發動機中的永磁轉子通常不具備，能夠抵抗這種拉應力的能力，因此，研究者需要將轉子結構納入到設計優化的范圍中，提高高速永磁發動機的應用效果。為此，研究者針對以下幾個方面進行了優化設計：

第一，直徑、長度優化，由于電機在運轉過程中會產生較強的離心力，而離心力的大小與轉矩直接相關，所以，研究者減少了轉子的直徑，同時，為了防止轉子過小，影響永磁體的運行效果，研究者采用了細長型的轉子結構;

第二，材料優化，為了滿足發動機的運作需求，永磁材料應當具有磁性好、耐熱性強、機械強度高、性價比高這幾項特質。研究者通過綜合對比常規的永磁材料得出，釹鐵硼材料的剩磁為1.16T、矯頑力為850KA/m、退磁曲線為直線、剩磁溫度系數為-0.12%/k、最高工作溫度為150℃，而且其性能好、性價比較高，因此，在此次優化設計中，研究者選擇了燒結釹鐵硼作為永磁轉子材料;

第三，極數優化設計，發動機的常規極數位2極或4極，但2極的發動機相較于4極發動機，定子繞組端部更長，而且鐵心軛更厚，因此其高頻附加損耗低，具有更加優質運行性能，因此，此次在此次設計優化中，研究者選用了2極高速永磁發動機;

第四，護套優化設計，在上述敘述中提到常規的發電機轉子都具有抗發動機運行應力能力弱的特質，所以，研究者需要設計護套結構來保護轉子?，F階段護套主要有非導磁護套、碳纖維綁扎永磁體護套兩種，但后者的導熱能力差，溫升控制能力較低。為此，研究者選擇了非導磁護套結構設計。

2.3 尺寸優化設計

在“體積最小化”的設計優化目標下，研究者需要針對電機的尺寸進行優化設計，使其能夠更好地發揮其輕量、低能耗的優勢。在此過程中，研究者選用了轉速60000～100000rpm、額定功率800w、額定電壓15VDC、冷卻方式為強迫冷風的高速發電機進行尺寸優化設計。在優化過程中，研究者采用了歸一化公式，即D2l=5.5cPN*103/αKwABδn，作為計算依據來進行優化計算推導。在基礎方程式中，功率、磁場波形系數、繞組系數、定子極弧系數、轉速、氣隙磁感應電負荷、電樞內徑有效長度、氣隙磁通密度分別表示為字母PN、c、Kw、α、n、A、l、Bδ，然后根據已知參數可以得出方程式c=Ei/UN=1.1～1.15，其中U為額定輸出電壓、E為電樞電動勢，同時已知Kw=0.91～0.96，即可確定的Kw最優值，再根據基礎公式，結合有限元建模塊法可以得出，定子尺寸，如表1、轉子永磁體尺寸，如表2，完成高速永磁發電機尺寸的優化設計[1]。

2.4 最優結果計算分析

經過上述的優化設計之后，為了得到800W的高速永磁發電機的最優運行參數，研究者采用了梯度下降法，作為設計優化基本算法，其具有計算法則簡單、物理意義明確的特征，并且能夠通過尋找函數值下降最快的方向，來搜索函數極值，可以準確抓住區間逼近極值點。基于此，研究者采用了一種GFD-AIP電磁參數計算法與梯度下降法相結合的優化計算方式，并利用計算機軟件，進行了相應的最優運行參數計算，得出了9組符合約束條件以及技術指標的最優數據。之后，研究者將這9組最優參數，分別輸入了基于有限元建模的仿真分析軟件系統中。根據電磁仿真結果顯示，發動機輸出電壓符合其性能指標要求，并且呈現出正弦分布的狀態，當研究者用傅里葉將其分解為各次諧波之后，得出了9.3V的基波有效值，因此可知其產生諧量較小，同時，在分解后得出的各次諧波中，0.7V諧波最大含量有效值的數量占據基波總量的7.5%，由此可以看出，這9組最優設計都能夠滿足高速永磁電機的實際使用需求，所以經過上述定子、轉子、尺寸優化設計后的電動機，可以更好地配合微型渦噴發動機的運作，有助于飛行器動力技術水平的發展[2]。

3 ?結果分析

為了進一步驗證上述優化設計的實際運行效果，研究者進行了發動機磁性能試驗和鐵心損耗試驗，保障優化設計的實效性。在發動機磁性能試驗中，研究者采用了空載電壓、繞組線電感等電磁性能參數測試。該測試原理主要是將高速發電機與原動機用聯軸器連接，令原動機帶動高速發電機運轉后，再進行空載電壓試驗，并用電感測量儀測量繞線電感，用差分探頭測量電壓。測試結果顯示出，實際測驗與仿真分析中的電壓都呈現出了正弦分布狀態，且符合微型渦噴發動機的運行需求，同時，兩者在最終測試值方面，存在誤差允許范圍內的相等。在鐵心損耗試驗中，研究者依然采用聯軸器，使原電機帶動高速電機運行，并采用對托測試平臺，來測量鐵心損耗。從試驗結果可以看出，電機鐵心損耗均處于常規運行允許范圍內，并且呈現出了低能耗的特質，因此可知上述優化設計可以用于高速永磁電機的優化設計中，能夠提升電動機的性能水平[3]。

4 ?結論

綜上所述，改善高速永磁發電機在微型渦噴發動機運行中的效用能夠促進飛行器動力技術的發展。在優化設計中，工作者通過仿真分析結果得出，文中基于定子、轉子、尺寸這三方面的優化設計可行，并且能夠增強發動機的多方面性能，有助于飛行器動力技術的提升。

參考文獻：

[1]龔東升，顧蘊松，周宇航.基于微型渦噴發動機熱噴流的無源流體推力矢量噴管的控制規律研究[J/OL].航空學報：1-13[2020-05-19].

[2]汪文君，徐友良，吳雪蓓.基于增材制造的微型渦噴發動機輕量化設計及試驗[J].航空動力，2019（03）：20-22.

[3]譚錕，王云，張飛.微型渦噴發動機噴油環優化設計[J].航空工程進展，2018，9（03）：382-387.