盘式无铁芯永磁发电机电磁设计和仿真研究

马岩

摘 要 盘式无铁心永磁发电机具有体积小、重量轻和轴向尺寸短等优势。在实际运行过程中，电枢反应相对较小，感应电动势在电机转速发生变化时的波形变化较为平稳，可以满足发电系统的实际需求。本文主要对盘式无铁心永磁发电机的电磁设计及电机的空载特性、负载特性与参数化仿真等内容进行分析。

关键词 盘式无铁心永磁发电机；人力发电；电磁设计；空载特性；负载特性

1 盘式无铁心永磁发电机的电磁设计

1.1 发电机电磁设计的设计原理与设计要求

盘式电机的拓扑结构具有多样化的特点，与之相关的性能参数的计算过程较为复杂，一般情况下，发电机的电磁设计原理与电机电枢绕组感应电动势平均值及每相电流等因素有关[1]。本文中设计的盘式无铁心永磁发电机的功率要求为22W。以下公式为盘式发电机的电枢绕组感应电动势平均值计算公式：

上述公式中的E为发电机电枢绕组感应电动势平均值；n为发电机的转速；a为并联支路数；αi指代的内容为计算极弧系数；指代的内容为气隙磁密幅值；N用于指代每相导体数量；Do主要指的是电机外直径；Di为电机的内直径。每相电流的计算公式如下所示：

上述公式中的I为每相电流；Auv指代的内容为每相电流在平均直径处的线负荷。

电机的电磁设计要求与其各项初始参数之间存在一定联系，如适用于人力发电系统的发电机的轴向尺寸为15mm；径向尺寸为65mm；相数为3相；转速范围在1000-6000r·min-1之间；正常工作转速为3000r·min-1。

1.2 发电机的主要参数设计

发电机参数设计有助于提升发电机的电磁功率。在发电机参数设计方面，发电机外直径与电机内直径的比值是研究者所不可忽视的内容。根据电磁功率极值求取结果，发电机在电机内外直径比值为时的输出功率为发电机输出电磁功率的最大值。根据盘式无铁心永磁发电机的设计情况，电机内外直径的比值在1.7-2.2之间；本文所研究的盘式无铁心永磁发电机的内外直径比为1.75。在内外直径比值确定以后，发电机的外直径可以设计为65mm；内直径设计为37mm。此种电机具有散热良好的特点，故而在参数设计方面，发电机的线负荷可以达到1.5A·mm-1。在考虑电机电磁功率因素以后，发电机在额定输出功率为20W的情况下，可以满足设计要求。

1.3 发电机的磁极设计

退磁温度为180℃的N45UH钕铁硼是适用于盘式无铁心永磁发电机磁极设计的理想材料。此种材料的剩余磁感应强度为1.33T，极弧系数为0.8。如发电机中使用的磁极结构为扇形结构，计算极弧系数可以被看作是发电机的极弧系数。有限元仿真分析是确定气隙磁密幅值的主要依据，在盘式无铁心永磁发电机设计领域，发电机磁极的额定转速可以确定为3000r/min，工作转速可以控制在2000-6000r/min之间。在相对理想的运行条件下，永磁体会在厚度与气隙计算长度相等时处于理想状态。但是就盘式无铁心永磁发电机的电磁设计情况而言，永磁体的总厚度约为气隙长度的1～2倍，为保证发电机的稳定运行，发电机的绕组厚度可以设置为9mm；单侧气隙为0.5mm；永磁体的厚度可以设置为2mm[2]。

1.4 发电机的绕组设计

非叠绕组也可以在盘式无铁心永磁发电机设计过程中得到应用。这一设计方式的应用，可以让发电机的用铜量与铜耗量低于分布式叠绕组的用铜量与耗铜量。非叠绕组可以在提高电机效率的同时，避免匝间短路故障的出现。根据无铁心发电机的实际情况，虚拟齿槽结构设计是发电机设计中的难点要素，极槽配合关系也是绕组分布的主要影响因素。假设电动机的非叠绕组为m相集中非叠绕组，元件的两条边需要放置在临近的两槽之中，连续元件构成的元件通过串联、并联方式组成的电机相绕组具有定子齿数与元件数相等的特点。在每极每项槽数最简分子式中，元件组的串联元件数可以被看作是分子质量。在额定电压幅值为20V的情況下，盘式无铁心永磁发电机的每项串联导体数为120，发电机设计者可以利用总线圈数控制每相绕组的匝数。在发电机设计过程中，相关人员也可以通过有限元仿真分析，分析额定电压与功率是否满足发电系统的实际需求。

2 盘式无铁心永磁发电机的仿真研究

2.1 空载特性仿真分析

发电机空载特性与磁链、感应电动势和转矩等因素有关。若发电机处于空载运行状态，电枢绕组中的电流为0，电枢绕组也不会影响永磁体产生的气隙磁场。在电枢绕组匝数相对固定的情况下，穿过绕组的磁通会成为磁链大小的决定因素。感应电动势与磁链会随着时间的变化而变化。本文中设计的盘式无铁心永磁发电机的感应电动势幅值为20V，可以满足相电压的要求。

2.2 负载特性仿真分析

在负载特性方面，盘式无铁心永磁发电机的计算气隙长度较长，产生的电枢反应较弱，故而感应电动势对发电机空载情况的影响相对有限。受电机的转矩特性影响，盘式无铁心永磁发电机的额定功率约为24W，可以满足发电机的实际需求。

2.3 转速参数化仿真分析

本文中论述的盘式无铁心永磁发电机需要应用于人力手摇发电过程中，针对发电机在不同工作转速范围内输出的变压变化范围，电动机感应电动势幅值和周期会随着转速的变化而变化，在2000-6000r/min转速范围内，发电机电压幅值在8-50V之间。根据人体工程学的相关数据，在发电机输入端配置相应增速比的增速器，就可以有效满足人力发电系统的实际需求。

3 结束语

盘式无铁心永磁发电机具有电枢反应小，感应电动势波形平稳的特点。在电动机满足预期性能要求的情况下，根据基本电磁关系对这一设备进行适当的改进和完善，就可以满足人力发电以及其他领域应用的要求。

参考文献

[1] 李玉彬，杨宗霄.非均匀磁极盘式无铁心永磁ISG电机设计与分析[J].河南科技大学学报（自然科学版），2018，39（04）：28-33+6.

[2] 吕晓威，罗玲，李丹，王震.基于正交试验法的盘式无铁心永磁同步发电机优化设计[J].微特电机，2013，41（03）：11-14.