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浅析高速永磁同步发电机设计

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关键词：高速永磁；同步发电机设计

一、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：

式中：为定子内径；为额定转速；L为计算长度；P为计算功率；为计算极弧系数；是气隙磁场波形系数；为绕组系数；A，分别为电机电负荷和气隙磁密。本文采用AnsysRMxprt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。

二、关键技术研究

2.1高转速技术

发电机最高转速为100000r/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，对高速旋转的表贴式永磁电机，需要采取一定措施保护永磁体。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，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。

2.2高功率密度技术

该电机功率密度高达3．73kW/kg，高转速使绕组电流和铁心中磁通交变频率很大，使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，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。

三、电机有限元仿真分析

3．1电机有限元仿真模型

使用ANSYSMaxwell2D对发电机进行建模，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。下图为电机有限元分析模型的网格剖分图和磁密云图。

3.2外电路仿真模型

在Maxwell2D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，下图为直流侧负载为电阻，通过调节负载电阻，即可调节输出电压和电流。

结束语

本文讨论高转速、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仿真。仿真结果表明，电机在额定转速100000r/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。

Reference

[1]王继强，王凤翔，孔晓光．高速永磁发电机的设计与电磁性能分析［J］．中国电机工程学报，2010．

[2]SATOK，YOSHIZAWAM，FUKUSHIMAT．TractionsystemsusingpowerelectronicsforShinkansenhigh－speedelectricmultipleu-nits［C］//InternationalPowerElectronicsConference（IPEC）．2010（2）．

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-全文完-