赵锦成，闫羽佳，孟繁敬

(1．军械工程学院，石家庄050003;2．普林亿威科技有限公司，唐山063020)

0 引 言

本文主要研究用于取力发电系统中间定子盘式无铁心永磁发电机，这种发电机具有体积小、重量轻、轴向尺寸短、结构紧凑、功率密度高、散热性能好等优势［1］，充分解决了发电系统的空间限制和功率需求问题。

目前，国内外对盘式永磁电机的研究主要集中在电动汽车、可再生能源发电、飞轮储能等对功率密度和转矩密度要求较高的领域［2－6］。由于盘式电机拓扑结构多样，性能参数计算复杂，所以如何设计出高性能的盘式电机一直是盘式电机研究的重点和难点。本文基于盘式电机的基本尺寸方程，结合有限元法，设计了一台功率为22 kW的盘式无铁心永磁发电机，并仿真分析了其输出特性，为最终取力发电系统的完成打下了基础。

1 盘式无铁心永磁发电机的结构

典型盘式无铁心永磁盘式发电机结构示意图如图1所示，采用了功率密度较高的双转子中间定子结构，用环氧树脂材料浇注结构代替定子铁心。

图1 盘式定子无铁心永磁电机结构示意图

转子由原动机带动产生旋转磁场，定子绕组与旋转磁场交链产生感应电动势，输出电磁功率。无铁心结构消除了齿槽转矩和磁路饱和等影响，降低了电机质量和损耗，提升了效率［7］。

2 盘式无铁心永磁发电机的电磁设计

2． 1 电机设计原理［8－10］

盘式发电机电枢绕组感应电动势平均值:

得到m相电机电磁功率:

式中:n为转速;a为并联支路数;αi为计算极弧系数;Bδ为气隙磁密幅值;N为每相导体数;Do为电机外直径;Di为电机内直径。

每相电流I用平均直径处的线负荷Aav表示:

2． 2电机设计要求

依据车载取力发电系统的实际情况，确定发电机各项初始参数，如表1所示。

表1 盘式无铁心永磁发电机初始参数表

2． 3电机主要参数设计

本设计首要目的是在一定尺寸范围内得到满足要求的尽可能高的电磁功率，所以通过对式(4)中电磁功率求极值可得，当λ为槡3时输出电磁功率最大。结合文献中的实际设计经验，λ一般取值范围为1．7 ～2．2，本设计取为 1．75。λ 确定之后，外径Do取最大值280 mm，则内径为260 mm。考虑到盘式电机散热条件较好，线负荷取为10 A·mm－1［11］。将已经确定下来的参数代入式(4)中，可估算出额定输出功率在20 kW以上，能够满足预期要求。

2． 4电机磁极设计

磁极选用退磁温度180℃的N45UH钕铁硼，剩余磁感应强度为1．33 T，极弧系数取为0．8，采用扇形结构，计算极弧系数约等于极弧系数，气隙磁密幅值需要通过有限元仿真分析确定，先估计为较小值0．6 T。额定转速为3 000 r/min，工作转速范在1 000～6 000 r/min，属于中等转速电机，输出接中高频整流负载，极数选为8～16极。在理想条件下，永磁体厚度等于气隙计算长度长度时效果最好。但是实际情况中，一般取永磁体总厚度为计算气隙长度的1～2倍之间，本设计采用9 mm厚度绕组和1 mm单侧气隙，永磁体厚度采用6 mm。

2． 5电机绕组设计

本文设计采用集中非叠绕组，具有较短的端部，用铜量和铜耗都低于分布式叠绕组，有利于提高电机效率，而且下线简单，不容易发生匝间短路。在定子无铁心电机的虚拟齿槽结构中，极槽配合关系是决定绕组分布的关键因素。典型m相集中非叠绕组中，元件的两条边放置在邻近的两槽之中，连续的n个元件构成元件组。元件组串并联组成电机相绕组，定子齿数Z和元件数相等，可得:

对于极对数为p的电机，每极每相槽数:

式中:a和b分别代表最简分子式的分子和分母，并且需要满足如下约束条件［12］:

因此在每极每相槽数的最简分子式中，分子等于元件组的串联元件数，分母不等于电机相数的整数倍。结合集中非叠绕组的每极每相槽数为小于1/2的分数这一条件，可得三相盘式无铁心永磁发电机的可能极槽配合关系，如表2所示。

表2 盘式无铁心永磁发电机不同极槽数下每极每相槽数表

考虑到额定电压幅值为220 V，依据式(1)估算每相串联导体数约为200，需要较高线圈数来限制每个线圈的匝数。综合考虑本文设计采用16极24槽结构，尺寸参数如表3所示。其中，额定电压和功率是否满足要求需要在有限元仿真中得到，通过公式得到的数值仅作为初步参考。

表3 盘式定子无铁心永磁电机尺寸参数表

3 电磁场仿真与分析

3． 1建模及仿真

依据参数在Ansys Maxwell平台建立3D模型，研究空载和负载状态下的发电输出特性。为了节约计算时间，在不影响精度的前提条件下，根据电机的周期对称性建立了1/8等效模型。进行仿真计算之前，需对模型进行网格剖分，如图2所示，在需要重点分析的区域如气隙处网格要取得密集一些。

图2 电机仿真模型剖分图(截图)

经仿真计算之后可得气隙磁密分布如图3所示，气隙磁密沿周向趋于正弦分布，在磁极中心线处磁密最大，幅值约为0．8 T，沿径向成平定波分布，在内外径两端磁密最小。

图3 气隙磁密分布场图(截图)

3． 2 空载特性

空载特性包含磁链、感应电动势和转矩3个方面。发电机空载时，电枢绕组中的电流为0，不会对永磁体产生的气隙磁场造成影响。由于电枢绕组匝数固定，磁链的大小取决于穿过绕组的磁通，也就是气隙磁场的分布情况，同时感应电动势和磁链随时间的变化率密切相关，A相磁链和感应电动势波形如图4、图5所示，感应电动势幅值约为220 V，满足相电压380 V的要求。无铁心结构没有齿槽定位转矩，电磁转矩趋近于0，仿真波形如图6所示。

图4 A相空载磁链特性图

图5 A相空载感应电动势特性图

图6 空载转矩特性图

3． 3 负载特性

发电机负载时，由于无铁心结构的盘式电机计算气隙长度较长，产生的电枢反应较微弱，所以感应电动势相对空载情况变化不大，A相电压和电流如图7、图8所示。

图9为电机的转矩特性，由于没有齿槽定位转矩以及电枢反应较微弱，转矩较为稳定，大约在75 N·m。额定转速条件下角速度为314 rad·s－1，可得额定功率约为23．55 kW，与式(4)所得38 kW有一定差距，但是能够满足设计需求。

图7 A相电压波形图

图8 A相电流波形图

图9 负载转矩特性图

3． 4转速参数化分析

为了满足行车取力发电的需求，需要考虑到不同工作转速范围内输出的电压变化范围。当转速变化时，感应电动势幅值和周期随之变化，图10为不同转速条件下空载电动势的波形。可以看出，在1 000～6 000 r/min的工作转速范围内电压幅值在80～500 V之间，波形较为稳定，能够满足要求。

图10 不同转速条件下感应电动势特性图

4 结 语

本文从基本电磁关系出发，结合实际设计经验，得到了符合实际需求的盘式无铁心永磁发电机尺寸和参数，并在Ansys Maxwell中进行了电磁场仿真。通过仿真结果可以看出，盘式无铁心永磁发电机电枢反应较小，在转速变化时感应电动势波形平稳，幅值范围符合要求，能够满足取力发电系统的需求。同时，现有的基本尺寸公式计算所得的结果误差较大，只能作为初步估算使用。

本文所设计的盘式定子无铁心永磁电机虽然基本满足了预期性能要求，但是还有进一步优化的可能性和必要性。同时，对所得到的电机模型进行多物理场联合仿真验证，最终制作样机，也是下一步研究工作的重点内容。

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