多通道永磁同步發電機的仿真與分析

趙飛，卓亮，葛發華

1國家精密微特電機工程技術研究中心；2貴州航天林泉電機有限公司

多通道永磁同步發電機的仿真與分析

趙飛12，卓亮12，葛發華12

1國家精密微特電機工程技術研究中心；2貴州航天林泉電機有限公司

多通道永磁同步發電機繞組之間具有強耦合特點，以及負載時電樞反應效果非線性疊加效果難以計算的問題。本文利用Ansys Maxwell軟件對一款三通道永磁同步發電機進行有限元仿真研究與性能分析，針對多通道同時帶負載輸出功率不夠和輸出功率不對稱等問題提出改進措施。將改進后樣機的試驗值與仿真值對比，誤差小于2%，驗證了該仿真分析方法的有效性。

多通道；永磁同步發電機；有限元分析；Ansys Max?well

引言

高速發電機結構簡單、功率密度高，幾何尺寸遠小于同功率的中低速電機，成為電機領域的研究熱點[1]。多通道永磁同步發電機有2套或2套以上的繞組并行向負載供電。多通道發電機供電可靠性遠高于單通道發電機，因此，在對供電要求苛刻的航空航天領域越來越受到人們的關注。

多通道永磁同步發電機繞組之間具有強耦合特點，以及負載時電樞反應效果非線性疊加效果難以計算的問題[2]。因此，傳統的磁路分析設計方法難以滿足多通道發電機的設計要求，利用場路耦合的方法可準確分析電機內部電磁場[3]。

本文對一臺航空用三通道高速永磁同步發電機進行電磁場有限元計算，該電機額定轉速15000r/min，每套繞組的性能指標如表1所示。

表1 發電機性能指標

在樣機測試中，電機繞組ABC或A1B1C1單獨帶負載時輸出功率滿足要求，但是兩套繞組同時帶負載，輸出總功率不到8kW，小于要求的11.2kW。本文基于場路耦合的方法，分析了原方案出力不夠和輸出功率不對稱的原因，利用Ansys Maxwell對該發電機的空載、單套繞組負載、三套繞組負載等工況進行仿真分析，根據仿真分析結果，提出了對該電機的改進措施。

1 原方案電磁場仿真

由于該電機有三通道獨立工作繞組（見圖1所示），從槽底往槽口依次是繞組ABC、A1B1C1和A2B2C3，傳統的磁路計算法不適用于該電機的計算。

圖1 原方案模型

在Maxwell 2D中建立二維電磁場有限元模型對其進行仿真。

圖2三套獨立工作繞組外電路模型

圖2 為在外電路編輯器中建立三套獨立工作繞組的外電路模型。

1.1 電機模型的建立及網格剖分

在Ansys Maxwell中，建立電機的有限元分析三維模型，并自動進行網格剖分。電機模型和網格剖分效果如圖3所示。為了確保氣隙磁密的求解精度，將氣隙劃分為三層。

圖3 電機網格剖分效果

1.2 空載仿真結果

電機空載時，三通道繞組的電壓及整流后的電壓如表2所示。

表2 空載電壓仿真值

三通道繞組交流整流后直流電壓和交流線電壓仿真波形（見圖4-圖7）。

圖4 直流電壓

圖5 繞組ABC線電壓

圖6 A1B1C1線電壓

圖7 A2B2C2線電壓

1.3 單套繞組負載仿真結果

（1）繞組ABC負載

繞組ABC帶額定負載，繞組ABC輸出功率為5244W（任務要求5600W），仿真結果見表3。

表3 繞組ABC單獨負載

（2）繞組A1B1C1負載

繞組A1B1C1帶額定負載，其它繞組空載時仿真結果見表4。

表4 繞組A1B1C1單獨負載

1.4 三套繞組負載仿真結果

電機三套繞組同時帶額定負載時，輸出仿真結果見下表5。

表5 三通道繞組同時負載

繞組ABC和A1B1C1兩通道負載功率之和為7872W，與樣機實測值7836W接近，誤差為0.46%。且存在兩通道輸出功率不對稱的問題。

2 存在問題及改進措施

2.1 存在問題

通過仿真分析，原方案存在以下問題：（1）當繞組ABC和A1B1C1同時帶負載時，其輸出功率只有3857W、4015W，不能滿足任務要求（5600W）；（2）繞組ABC和A1B1C1帶同樣的負載，輸出功率分別為3857W和4015W，輸出不對稱。

2.2 改進措施

原方案電機三套繞組定子齒部磁密分別為0.887T、0.74T和0.791T，見下表6。原方案定子齒部磁密遠未達到飽和狀態，使得電樞反應的去磁影響也比較大。

表6 兩種方案磁密對比

為解決原方案存在的2個問題，新方案做如下改進：（1）減小定子齒的寬度和定子軛的厚度，使定子齒部和軛部磁密達到飽和，抑制電樞反應效果；（2）將繞組ABC和A1B1C1分2半對稱嵌入定子槽中，使它們之間的互感作用小且沒有電樞反應的疊加的效果，使兩套繞組輸出完全對稱。

3 改進樣機試驗結果

改進方案仿真繞組ABC和A1B1C1兩通道負載功率均為5864W，大于任務書要求5600W，且輸出對稱。三通道同時負載直流電壓和電流波形見圖8和圖9。

圖8 直流電壓波形

圖9 直流電流波形

將仿真結果與實驗結果對比（表7），可以看出在三個工作點，仿真結果與實驗結比較接近，誤差在2%以內。

表7 仿真結果與實驗結果對比

改進樣機實物和試驗臺見圖10。

圖10 改進樣機

4 結論

多通道發電機繞組之間的互感較強，以及帶負載時電樞反應的效果疊加，退磁影響大。在設計和仿真多通道永磁同步發電機時需注意以下幾點：

（1）同一個定子槽中靠近槽口的繞組交鏈的磁力線比槽底部繞組交鏈的磁力線多，因此放置對稱負載的繞組時需保證幾何空間嚴格中心對稱。

（2）多繞組疊加電樞反應效果疊加，設計時需采取抑制電樞反應措施，比如增加磁鋼厚度，增加定子各部分磁密飽和程度等。通過Maxwell 2D對原方案和改進方案的仿真和與樣機試驗對比，證明驗證了仿真方法的準確性，對指導其它多通道永磁同步發電機的設計與仿真具有一定意義。

[1]王繼強，王鳳翔，孔曉光.高速永磁發電機的設計與電磁性能分析[J].中國電機工程學報，2008,28（20）：105-110.

[2]劉瑞芳，嚴登俊，胡敏強.永磁無刷直流電動機場路耦合運動時步有限元分析[J].中國電機工程學報，2007,27（12）：59-64.

[3]王鳳翔.高速電機的設計特點及相關技術研究[J].沈陽工業大學學報，2006,28（3）.

[4]王繼強，王鳳翔，孔曉光.高速發電機的設計與電磁性能分析[J].中國電機工程學報，2008，28（20）105-110.

[5]趙博，等.Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

趙飛（1980-），男，工程師，主要從事高速永磁發電機研究與設計。