多通道永磁同步发电机的仿真与分析

赵飞，卓亮，葛发华

1国家精密微特电机工程技术研究中心；2贵州航天林泉电机有限公司

多通道永磁同步发电机的仿真与分析

赵飞12，卓亮12，葛发华12

1国家精密微特电机工程技术研究中心；2贵州航天林泉电机有限公司

多通道永磁同步发电机绕组之间具有强耦合特点，以及负载时电枢反应效果非线性叠加效果难以计算的问题。本文利用Ansys Maxwell软件对一款三通道永磁同步发电机进行有限元仿真研究与性能分析，针对多通道同时带负载输出功率不够和输出功率不对称等问题提出改进措施。将改进后样机的试验值与仿真值对比，误差小于2%，验证了该仿真分析方法的有效性。

多通道；永磁同步发电机；有限元分析；Ansys Max⁃well

引言

高速发电机结构简单、功率密度高，几何尺寸远小于同功率的中低速电机，成为电机领域的研究热点[1]。多通道永磁同步发电机有2套或2套以上的绕组并行向负载供电。多通道发电机供电可靠性远高于单通道发电机，因此，在对供电要求苛刻的航空航天领域越来越受到人们的关注。

多通道永磁同步发电机绕组之间具有强耦合特点，以及负载时电枢反应效果非线性叠加效果难以计算的问题[2]。因此，传统的磁路分析设计方法难以满足多通道发电机的设计要求，利用场路耦合的方法可准确分析电机内部电磁场[3]。

本文对一台航空用三通道高速永磁同步发电机进行电磁场有限元计算，该电机额定转速15000r/min，每套绕组的性能指标如表1所示。

表1 发电机性能指标

在样机测试中，电机绕组ABC或A1B1C1单独带负载时输出功率满足要求，但是两套绕组同时带负载，输出总功率不到8kW，小于要求的11.2kW。本文基于场路耦合的方法，分析了原方案出力不够和输出功率不对称的原因，利用Ansys Maxwell对该发电机的空载、单套绕组负载、三套绕组负载等工况进行仿真分析，根据仿真分析结果，提出了对该电机的改进措施。

1 原方案电磁场仿真

由于该电机有三通道独立工作绕组（见图1所示），从槽底往槽口依次是绕组ABC、A1B1C1和A2B2C3，传统的磁路计算法不适用于该电机的计算。

图1 原方案模型

在Maxwell 2D中建立二维电磁场有限元模型对其进行仿真。

图2三套独立工作绕组外电路模型

图2 为在外电路编辑器中建立三套独立工作绕组的外电路模型。

1.1 电机模型的建立及网格剖分

在Ansys Maxwell中，建立电机的有限元分析三维模型，并自动进行网格剖分。电机模型和网格剖分效果如图3所示。为了确保气隙磁密的求解精度，将气隙划分为三层。

图3 电机网格剖分效果

1.2 空载仿真结果

电机空载时，三通道绕组的电压及整流后的电压如表2所示。

表2 空载电压仿真值

三通道绕组交流整流后直流电压和交流线电压仿真波形（见图4-图7）。

图4 直流电压

图5 绕组ABC线电压

图6 A1B1C1线电压

图7 A2B2C2线电压

1.3 单套绕组负载仿真结果

（1）绕组ABC负载

绕组ABC带额定负载，绕组ABC输出功率为5244W（任务要求5600W），仿真结果见表3。

表3 绕组ABC单独负载

（2）绕组A1B1C1负载

绕组A1B1C1带额定负载，其它绕组空载时仿真结果见表4。

表4 绕组A1B1C1单独负载

1.4 三套绕组负载仿真结果

电机三套绕组同时带额定负载时，输出仿真结果见下表5。

表5 三通道绕组同时负载

绕组ABC和A1B1C1两通道负载功率之和为7872W，与样机实测值7836W接近，误差为0.46%。且存在两通道输出功率不对称的问题。

2 存在问题及改进措施

2.1 存在问题

通过仿真分析，原方案存在以下问题：（1）当绕组ABC和A1B1C1同时带负载时，其输出功率只有3857W、4015W，不能满足任务要求（5600W）；（2）绕组ABC和A1B1C1带同样的负载，输出功率分别为3857W和4015W，输出不对称。

2.2 改进措施

原方案电机三套绕组定子齿部磁密分别为0.887T、0.74T和0.791T，见下表6。原方案定子齿部磁密远未达到饱和状态，使得电枢反应的去磁影响也比较大。

表6 两种方案磁密对比

为解决原方案存在的2个问题，新方案做如下改进：（1）减小定子齿的宽度和定子轭的厚度，使定子齿部和轭部磁密达到饱和，抑制电枢反应效果；（2）将绕组ABC和A1B1C1分2半对称嵌入定子槽中，使它们之间的互感作用小且没有电枢反应的叠加的效果，使两套绕组输出完全对称。

3 改进样机试验结果

改进方案仿真绕组ABC和A1B1C1两通道负载功率均为5864W，大于任务书要求5600W，且输出对称。三通道同时负载直流电压和电流波形见图8和图9。

图8 直流电压波形

图9 直流电流波形

将仿真结果与实验结果对比（表7），可以看出在三个工作点，仿真结果与实验结比较接近，误差在2%以内。

表7 仿真结果与实验结果对比

改进样机实物和试验台见图10。

图10 改进样机

4 结论

多通道发电机绕组之间的互感较强，以及带负载时电枢反应的效果叠加，退磁影响大。在设计和仿真多通道永磁同步发电机时需注意以下几点：

（1）同一个定子槽中靠近槽口的绕组交链的磁力线比槽底部绕组交链的磁力线多，因此放置对称负载的绕组时需保证几何空间严格中心对称。

（2）多绕组叠加电枢反应效果叠加，设计时需采取抑制电枢反应措施，比如增加磁钢厚度，增加定子各部分磁密饱和程度等。通过Maxwell 2D对原方案和改进方案的仿真和与样机试验对比，证明验证了仿真方法的准确性，对指导其它多通道永磁同步发电机的设计与仿真具有一定意义。

[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，2008,28（20）：105-110.

[2]刘瑞芳，严登俊，胡敏强.永磁无刷直流电动机场路耦合运动时步有限元分析[J].中国电机工程学报，2007,27（12）：59-64.

[3]王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究[J].沈阳工业大学学报，2006,28（3）.

[4]王继强，王凤翔，孔晓光.高速发电机的设计与电磁性能分析[J].中国电机工程学报，2008，28（20）105-110.

[5]赵博，等.Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

赵飞（1980-），男，工程师，主要从事高速永磁发电机研究与设计。