適用于微型渦噴發(fā)動機的高速永磁發(fā)電機的設(shè)計優(yōu)化

楊志來

摘要：優(yōu)化微型渦噴發(fā)動機中高速永磁發(fā)電機的設(shè)計能夠增強微型渦噴發(fā)動機的使用性能。基于此，本文從設(shè)計優(yōu)化意義展開論述，詳細闡述了定子設(shè)計優(yōu)化、轉(zhuǎn)子設(shè)計優(yōu)化、尺寸優(yōu)化設(shè)計、最優(yōu)結(jié)果計算分析這幾項高速永磁發(fā)電機的設(shè)計優(yōu)化過程，希望能夠為微型渦噴發(fā)動機設(shè)計水平的發(fā)展提供助力。

關(guān)鍵詞：高速永磁;微型渦噴發(fā)動機;發(fā)電機

0 ?引言

微型渦噴發(fā)動機簡稱MTE，其所具備的造價低、能耗少、性能強等優(yōu)勢，使其成為了當(dāng)前微小型飛行器動力技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題，而高速永磁發(fā)電機的應(yīng)用，可以深入優(yōu)化其使用性能，因此，工作者應(yīng)深入分析基于高速永磁發(fā)電機的設(shè)計優(yōu)化，使高速永磁發(fā)電機能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢效用，提升MTE運行水平。

1 ?設(shè)計優(yōu)化意義

就目前來看，微型渦噴發(fā)動機的體積僅為常規(guī)渦輪發(fā)動機的1/100～1/10，如圖1，因此其具有能耗低、重量小的優(yōu)勢，而且由于其結(jié)構(gòu)簡單，所以也具備造價成本低的特點。但在此過程中，如果采用常規(guī)的燃料電池為其供電，那么發(fā)動機就會因電池的重量過大，導(dǎo)致上述優(yōu)勢失去效用。為此，研究者提出采用高速永磁發(fā)電機，并利用其高效、輕重、小型的特質(zhì)，來配合微型渦噴發(fā)動機更好地發(fā)揮其自身的優(yōu)勢，促進小型飛行器動力技術(shù)的發(fā)展，因此，研究者需要基于微型渦噴發(fā)動機的運行平穩(wěn)性、續(xù)航能力等性能方面，以縮小體積為目標(biāo)，對高速永磁發(fā)電機進行設(shè)計優(yōu)化，解決潛在的溫升、損耗、散熱等實際運行問題，使其能夠更好地配合微型渦噴發(fā)動機的運行，增強整體發(fā)動機系統(tǒng)運行的可靠性。

2 ?設(shè)計優(yōu)化過程

2.1 定子設(shè)計優(yōu)化

2.1.1 鐵心材料設(shè)計優(yōu)化

在高速永磁發(fā)動機的運行中，由于其轉(zhuǎn)速高出常規(guī)電機幾十倍，所以其內(nèi)部鐵心的能耗也遠遠高于常規(guī)電機，由此可知，鐵心是影響溫升、能耗等參數(shù)狀態(tài)的重要因素。為此，研究者需要先針對其構(gòu)造材料來進行優(yōu)化，提高鐵心的使用性能。在此過程中，降低鐵心能耗的方式主要有兩種，即采用低損耗鐵心材料、采用低密度鐵心材料，研究者通過平衡兩種方法的優(yōu)勢，選取了超薄型低損耗冷軋電工鋼片作為鐵心材料。

2.1.2 鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

一般來說，鐵心的結(jié)構(gòu)類型主要包括無槽式、少槽式以及多槽式。其中無槽式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在高頻齒諧波磁場規(guī)避方面，能夠減少定子能耗，但磁場較小，會降低材料利用率。而少槽式定子的氣隙磁場大，但其容易產(chǎn)生大幅值的高頻齒諧波磁場，提高鐵心損耗。然而相較于上述兩種鐵心結(jié)構(gòu)，多槽式鐵心結(jié)構(gòu)能夠平衡材料利用率與高頻齒諧波磁場形成這兩點要素，因此，此次設(shè)計中研究者采用了多槽式的鐵心結(jié)構(gòu)。

2.1.3 繞組形式設(shè)計優(yōu)化

在優(yōu)化設(shè)計中，研究者需要考慮到，由于此次優(yōu)化以最小化體積為目標(biāo)，因此，高速永磁發(fā)電機中的空間較小，應(yīng)采用一種節(jié)省空間的方式，來進行發(fā)電機的繞組布置。為此，研究者為了達到最優(yōu)的感應(yīng)電動勢，同時，考慮到空間小的問題，最終選擇了雙層分布繞組法，且結(jié)合了多股并繞的方式進行，緩解了雙層分布繞組法條件下，存在的集膚效應(yīng)與臨近效應(yīng)，降低了渦流能耗，然后完成了高速永磁發(fā)動機的定子優(yōu)化設(shè)計，在一定程度上削弱了溫升、能耗問題。

2.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計優(yōu)化

在高速永磁發(fā)動機的運行中，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)需要承受機械轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，而當(dāng)前永磁發(fā)動機中的永磁轉(zhuǎn)子通常不具備，能夠抵抗這種拉應(yīng)力的能力，因此，研究者需要將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)納入到設(shè)計優(yōu)化的范圍中，提高高速永磁發(fā)動機的應(yīng)用效果。為此，研究者針對以下幾個方面進行了優(yōu)化設(shè)計：

第一，直徑、長度優(yōu)化，由于電機在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生較強的離心力，而離心力的大小與轉(zhuǎn)矩直接相關(guān)，所以，研究者減少了轉(zhuǎn)子的直徑，同時，為了防止轉(zhuǎn)子過小，影響永磁體的運行效果，研究者采用了細長型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);

第二，材料優(yōu)化，為了滿足發(fā)動機的運作需求，永磁材料應(yīng)當(dāng)具有磁性好、耐熱性強、機械強度高、性價比高這幾項特質(zhì)。研究者通過綜合對比常規(guī)的永磁材料得出，釹鐵硼材料的剩磁為1.16T、矯頑力為850KA/m、退磁曲線為直線、剩磁溫度系數(shù)為-0.12%/k、最高工作溫度為150℃，而且其性能好、性價比較高，因此，在此次優(yōu)化設(shè)計中，研究者選擇了燒結(jié)釹鐵硼作為永磁轉(zhuǎn)子材料;

第三，極數(shù)優(yōu)化設(shè)計，發(fā)動機的常規(guī)極數(shù)位2極或4極，但2極的發(fā)動機相較于4極發(fā)動機，定子繞組端部更長，而且鐵心軛更厚，因此其高頻附加損耗低，具有更加優(yōu)質(zhì)運行性能，因此，此次在此次設(shè)計優(yōu)化中，研究者選用了2極高速永磁發(fā)動機;

第四，護套優(yōu)化設(shè)計，在上述敘述中提到常規(guī)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子都具有抗發(fā)動機運行應(yīng)力能力弱的特質(zhì)，所以，研究者需要設(shè)計護套結(jié)構(gòu)來保護轉(zhuǎn)子?，F(xiàn)階段護套主要有非導(dǎo)磁護套、碳纖維綁扎永磁體護套兩種，但后者的導(dǎo)熱能力差，溫升控制能力較低。為此，研究者選擇了非導(dǎo)磁護套結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.3 尺寸優(yōu)化設(shè)計

在“體積最小化”的設(shè)計優(yōu)化目標(biāo)下，研究者需要針對電機的尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，使其能夠更好地發(fā)揮其輕量、低能耗的優(yōu)勢。在此過程中，研究者選用了轉(zhuǎn)速60000～100000rpm、額定功率800w、額定電壓15VDC、冷卻方式為強迫冷風(fēng)的高速發(fā)電機進行尺寸優(yōu)化設(shè)計。在優(yōu)化過程中，研究者采用了歸一化公式，即D2l=5.5cPN*103/αKwABδn，作為計算依據(jù)來進行優(yōu)化計算推導(dǎo)。在基礎(chǔ)方程式中，功率、磁場波形系數(shù)、繞組系數(shù)、定子極弧系數(shù)、轉(zhuǎn)速、氣隙磁感應(yīng)電負荷、電樞內(nèi)徑有效長度、氣隙磁通密度分別表示為字母PN、c、Kw、α、n、A、l、Bδ，然后根據(jù)已知參數(shù)可以得出方程式c=Ei/UN=1.1～1.15，其中U為額定輸出電壓、E為電樞電動勢，同時已知Kw=0.91～0.96，即可確定的Kw最優(yōu)值，再根據(jù)基礎(chǔ)公式，結(jié)合有限元建模塊法可以得出，定子尺寸，如表1、轉(zhuǎn)子永磁體尺寸，如表2，完成高速永磁發(fā)電機尺寸的優(yōu)化設(shè)計[1]。

2.4 最優(yōu)結(jié)果計算分析

經(jīng)過上述的優(yōu)化設(shè)計之后，為了得到800W的高速永磁發(fā)電機的最優(yōu)運行參數(shù)，研究者采用了梯度下降法，作為設(shè)計優(yōu)化基本算法，其具有計算法則簡單、物理意義明確的特征，并且能夠通過尋找函數(shù)值下降最快的方向，來搜索函數(shù)極值，可以準(zhǔn)確抓住區(qū)間逼近極值點。基于此，研究者采用了一種GFD-AIP電磁參數(shù)計算法與梯度下降法相結(jié)合的優(yōu)化計算方式，并利用計算機軟件，進行了相應(yīng)的最優(yōu)運行參數(shù)計算，得出了9組符合約束條件以及技術(shù)指標(biāo)的最優(yōu)數(shù)據(jù)。之后，研究者將這9組最優(yōu)參數(shù)，分別輸入了基于有限元建模的仿真分析軟件系統(tǒng)中。根據(jù)電磁仿真結(jié)果顯示，發(fā)動機輸出電壓符合其性能指標(biāo)要求，并且呈現(xiàn)出正弦分布的狀態(tài)，當(dāng)研究者用傅里葉將其分解為各次諧波之后，得出了9.3V的基波有效值，因此可知其產(chǎn)生諧量較小，同時，在分解后得出的各次諧波中，0.7V諧波最大含量有效值的數(shù)量占據(jù)基波總量的7.5%，由此可以看出，這9組最優(yōu)設(shè)計都能夠滿足高速永磁電機的實際使用需求，所以經(jīng)過上述定子、轉(zhuǎn)子、尺寸優(yōu)化設(shè)計后的電動機，可以更好地配合微型渦噴發(fā)動機的運作，有助于飛行器動力技術(shù)水平的發(fā)展[2]。

3 ?結(jié)果分析

為了進一步驗證上述優(yōu)化設(shè)計的實際運行效果，研究者進行了發(fā)動機磁性能試驗和鐵心損耗試驗，保障優(yōu)化設(shè)計的實效性。在發(fā)動機磁性能試驗中，研究者采用了空載電壓、繞組線電感等電磁性能參數(shù)測試。該測試原理主要是將高速發(fā)電機與原動機用聯(lián)軸器連接，令原動機帶動高速發(fā)電機運轉(zhuǎn)后，再進行空載電壓試驗，并用電感測量儀測量繞線電感，用差分探頭測量電壓。測試結(jié)果顯示出，實際測驗與仿真分析中的電壓都呈現(xiàn)出了正弦分布狀態(tài)，且符合微型渦噴發(fā)動機的運行需求，同時，兩者在最終測試值方面，存在誤差允許范圍內(nèi)的相等。在鐵心損耗試驗中，研究者依然采用聯(lián)軸器，使原電機帶動高速電機運行，并采用對托測試平臺，來測量鐵心損耗。從試驗結(jié)果可以看出，電機鐵心損耗均處于常規(guī)運行允許范圍內(nèi)，并且呈現(xiàn)出了低能耗的特質(zhì)，因此可知上述優(yōu)化設(shè)計可以用于高速永磁電機的優(yōu)化設(shè)計中，能夠提升電動機的性能水平[3]。

4 ?結(jié)論

綜上所述，改善高速永磁發(fā)電機在微型渦噴發(fā)動機運行中的效用能夠促進飛行器動力技術(shù)的發(fā)展。在優(yōu)化設(shè)計中，工作者通過仿真分析結(jié)果得出，文中基于定子、轉(zhuǎn)子、尺寸這三方面的優(yōu)化設(shè)計可行，并且能夠增強發(fā)動機的多方面性能，有助于飛行器動力技術(shù)的提升。

參考文獻：

[1]龔東升，顧蘊松，周宇航.基于微型渦噴發(fā)動機熱噴流的無源流體推力矢量噴管的控制規(guī)律研究[J/OL].航空學(xué)報：1-13[2020-05-19].

[2]汪文君，徐友良，吳雪蓓.基于增材制造的微型渦噴發(fā)動機輕量化設(shè)計及試驗[J].航空動力，2019（03）：20-22.

[3]譚錕，王云，張飛.微型渦噴發(fā)動機噴油環(huán)優(yōu)化設(shè)計[J].航空工程進展，2018，9（03）：382-387.