杨志来

摘要：优化微型涡喷发动机中高速永磁发电机的设计能够增强微型涡喷发动机的使用性能。基于此，本文从设计优化意义展开论述，详细阐述了定子设计优化、转子设计优化、尺寸优化设计、最优结果计算分析这几项高速永磁发电机的设计优化过程，希望能够为微型涡喷发动机设计水平的发展提供助力。

关键词：高速永磁;微型涡喷发动机;发电机

0  引言

微型涡喷发动机简称MTE，其所具备的造价低、能耗少、性能强等优势，使其成为了当前微小型飞行器动力技术领域的重要研究课题，而高速永磁发电机的应用，可以深入优化其使用性能，因此，工作者应深入分析基于高速永磁发电机的设计优化，使高速永磁发电机能够充分发挥其优势效用，提升MTE运行水平。

1  设计优化意义

就目前来看，微型涡喷发动机的体积仅为常规涡轮发动机的1/100～1/10，如图1，因此其具有能耗低、重量小的优势，而且由于其结构简单，所以也具备造价成本低的特点。但在此过程中，如果采用常规的燃料电池为其供电，那么发动机就会因电池的重量过大，导致上述优势失去效用。为此，研究者提出采用高速永磁发电机，并利用其高效、轻重、小型的特质，来配合微型涡喷发动机更好地发挥其自身的优势，促进小型飞行器动力技术的发展，因此，研究者需要基于微型涡喷发动机的运行平稳性、续航能力等性能方面，以缩小体积为目标，对高速永磁发电机进行设计优化，解决潜在的温升、损耗、散热等实际运行问题，使其能够更好地配合微型涡喷发动机的运行，增强整体发动机系统运行的可靠性。

2  设计优化过程

2.1 定子设计优化

2.1.1 铁心材料设计优化

在高速永磁发动机的运行中，由于其转速高出常规电机几十倍，所以其内部铁心的能耗也远远高于常规电机，由此可知，铁心是影响温升、能耗等参数状态的重要因素。为此，研究者需要先针对其构造材料来进行优化，提高铁心的使用性能。在此过程中，降低铁心能耗的方式主要有两种，即采用低损耗铁心材料、采用低密度铁心材料，研究者通过平衡两种方法的优势，选取了超薄型低损耗冷轧电工钢片作为铁心材料。

2.1.2 铁心结构设计优化

一般来说，铁心的结构类型主要包括无槽式、少槽式以及多槽式。其中无槽式的优势主要体现在高频齿谐波磁场规避方面，能够减少定子能耗，但磁场较小，会降低材料利用率。而少槽式定子的气隙磁场大，但其容易产生大幅值的高频齿谐波磁场，提高铁心损耗。然而相较于上述两种铁心结构，多槽式铁心结构能够平衡材料利用率与高频齿谐波磁场形成这两点要素，因此，此次设计中研究者采用了多槽式的铁心结构。

2.1.3 绕组形式设计优化

在优化设计中，研究者需要考虑到，由于此次优化以最小化体积为目标，因此，高速永磁发电机中的空间较小，应采用一种节省空间的方式，来进行发电机的绕组布置。为此，研究者为了达到最优的感应电动势，同时，考虑到空间小的问题，最终选择了双层分布绕组法，且结合了多股并绕的方式进行，缓解了双层分布绕组法条件下，存在的集肤效应与临近效应，降低了涡流能耗，然后完成了高速永磁发动机的定子优化设计，在一定程度上削弱了温升、能耗问题。

2.2 转子设计优化

在高速永磁发动机的运行中，转子结构需要承受机械转动过程中产生的拉应力，而当前永磁发动机中的永磁转子通常不具备，能够抵抗这种拉应力的能力，因此，研究者需要将转子结构纳入到设计优化的范围中，提高高速永磁发动机的应用效果。为此，研究者针对以下几个方面进行了优化设计：

第一，直径、长度优化，由于电机在运转过程中会产生较强的离心力，而离心力的大小与转矩直接相关，所以，研究者减少了转子的直径，同时，为了防止转子过小，影响永磁体的运行效果，研究者采用了细长型的转子结构;

第二，材料优化，为了满足发动机的运作需求，永磁材料应当具有磁性好、耐热性强、机械强度高、性价比高这几项特质。研究者通过综合对比常规的永磁材料得出，钕铁硼材料的剩磁为1.16T、矫顽力为850KA/m、退磁曲线为直线、剩磁温度系数为-0.12%/k、最高工作温度为150℃，而且其性能好、性价比较高，因此，在此次优化设计中，研究者选择了烧结钕铁硼作为永磁转子材料;

第三，极数优化设计，发动机的常规极数位2极或4极，但2极的发动機相较于4极发动机，定子绕组端部更长，而且铁心轭更厚，因此其高频附加损耗低，具有更加优质运行性能，因此，此次在此次设计优化中，研究者选用了2极高速永磁发动机;

第四，护套优化设计，在上述叙述中提到常规的发电机转子都具有抗发动机运行应力能力弱的特质，所以，研究者需要设计护套结构来保护转子。现阶段护套主要有非导磁护套、碳纤维绑扎永磁体护套两种，但后者的导热能力差，温升控制能力较低。为此，研究者选择了非导磁护套结构设计。

2.3 尺寸优化设计

在“体积最小化”的设计优化目标下，研究者需要针对电机的尺寸进行优化设计，使其能够更好地发挥其轻量、低能耗的优势。在此过程中，研究者选用了转速60000～100000rpm、额定功率800w、额定电压15VDC、冷却方式为强迫冷风的高速发电机进行尺寸优化设计。在优化过程中，研究者采用了归一化公式，即D2l=5.5cPN*103/αKwABδn，作为计算依据来进行优化计算推导。在基础方程式中，功率、磁场波形系数、绕组系数、定子极弧系数、转速、气隙磁感应电负荷、电枢内径有效长度、气隙磁通密度分别表示为字母PN、c、Kw、α、n、A、l、Bδ，然后根据已知参数可以得出方程式c=Ei/UN=1.1～1.15，其中U为额定输出电压、E为电枢电动势，同时已知Kw=0.91～0.96，即可确定的Kw最优值，再根据基础公式，结合有限元建模块法可以得出，定子尺寸，如表1、转子永磁体尺寸，如表2，完成高速永磁发电机尺寸的优化设计[1]。

2.4 最优结果计算分析

经过上述的优化设计之后，为了得到800W的高速永磁发电机的最优运行参数，研究者采用了梯度下降法，作为设计优化基本算法，其具有计算法则简单、物理意义明确的特征，并且能够通过寻找函数值下降最快的方向，来搜索函数极值，可以准确抓住区间逼近极值点。基于此，研究者采用了一种GFD-AIP电磁参数计算法与梯度下降法相结合的优化计算方式，并利用计算机软件，进行了相应的最优运行参数计算，得出了9组符合约束条件以及技术指标的最优数据。之后，研究者将这9组最优参数，分别输入了基于有限元建模的仿真分析软件系统中。根据电磁仿真结果显示，发动机输出电压符合其性能指标要求，并且呈现出正弦分布的状态，当研究者用傅里叶将其分解为各次谐波之后，得出了9.3V的基波有效值，因此可知其产生谐量较小，同时，在分解后得出的各次谐波中，0.7V谐波最大含量有效值的数量占据基波总量的7.5%，由此可以看出，这9组最优设计都能够满足高速永磁电机的实际使用需求，所以经过上述定子、转子、尺寸优化设计后的电动机，可以更好地配合微型涡喷发动机的运作，有助于飞行器动力技术水平的發展[2]。

3  结果分析

为了进一步验证上述优化设计的实际运行效果，研究者进行了发动机磁性能试验和铁心损耗试验，保障优化设计的实效性。在发动机磁性能试验中，研究者采用了空载电压、绕组线电感等电磁性能参数测试。该测试原理主要是将高速发电机与原动机用联轴器连接，令原动机带动高速发电机运转后，再进行空载电压试验，并用电感测量仪测量绕线电感，用差分探头测量电压。测试结果显示出，实际测验与仿真分析中的电压都呈现出了正弦分布状态，且符合微型涡喷发动机的运行需求，同时，两者在最终测试值方面，存在误差允许范围内的相等。在铁心损耗试验中，研究者依然采用联轴器，使原电机带动高速电机运行，并采用对托测试平台，来测量铁心损耗。从试验结果可以看出，电机铁心损耗均处于常规运行允许范围内，并且呈现出了低能耗的特质，因此可知上述优化设计可以用于高速永磁电机的优化设计中，能够提升电动机的性能水平[3]。

4  结论

综上所述，改善高速永磁发电机在微型涡喷发动机运行中的效用能够促进飞行器动力技术的发展。在优化设计中，工作者通过仿真分析结果得出，文中基于定子、转子、尺寸这三方面的优化设计可行，并且能够增强发动机的多方面性能，有助于飞行器动力技术的提升。

参考文献：

[1]龚东升，顾蕴松，周宇航.基于微型涡喷发动机热喷流的无源流体推力矢量喷管的控制规律研究[J/OL].航空学报：1-13[2020-05-19].

[2]汪文君，徐友良，吴雪蓓.基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验[J].航空动力，2019（03）：20-22.

[3]谭锟，王云，张飞.微型涡喷发动机喷油环优化设计[J].航空工程进展，2018，9（03）：382-387.