浅析高速永磁同步发电机设计

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浅析高速永磁同步发电机设计

摘要:本文介绍高转速、高功率密度永磁同步发电机的关键技术及设计特点,

采用场路耦合法设计一台额定转速100000r/min、额定功率1kW、功率密度

3.73kW/kg的永磁同步发电机,建立二维电磁场仿真模型,仿真计算电机的空载

反电动势及整流后的直流电压、负载工况下的输出电流和电压等电磁性能,计算

电机定子铁耗、铜耗,转子的涡流损耗。计算结果表明,高速永磁发电机设计合理,输出功率、电压、电流达到设计要求。

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。

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。

参考文献

[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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