基于载荷分布法的四绕组轴向磁通永磁同步发电机初步设计与运行区域分析

《Machines》：Preliminary Design and Operating Region Analysis of a Quad-Winding Axial-Flux PMSG Using the Loading Distribution Method

　　

中文摘要翻译 本文提出了一种采用载荷分布法（loading distribution method）的四绕组轴向磁通永磁同步发电机（axial-flux permanent magnet synchronous generator, AF-PMSG）的初步设计与运行区域分析方法。该结构包含四套电气独立的三相绕组组，共用同一定子铁心与转子。从额定输出功率、转速和端电压出发，研究人员利用径向磁通载荷方程计算参考电机尺寸和电磁参数，并通过有效表面积等效生成近似的轴向磁通几何结构。定子槽数与总额定输出容量在四套绕组组之间等额分配，同时保持基线单绕组发电机的额定端电压不变。研究人员计算了初步绕组规格和电气参数，包括绕组匝数、导体截面积、相电阻、相电感和电流密度。该程序在MATLAB R2024a中实现，用于生成二维和三维电机几何结构，并计算在转子转速和端电压范围内的运行特性。转矩–转速包络线以及电输出、效率和功率因数图谱均基于参考电机模型，在规定的理想等分假设下解析估算，未经实验或有限元分析（FEA）验证。研究人员考察了一个600 W、1500 rpm的设计方案，每套绕组组分配额定输出150 W。在规定分配下，组合输出复现了基线输出特性，确认了解析模型内的计算一致性。所开发的程序将参考尺寸确定、绕组定额分配、几何结构生成和运行区域分析集成一体，为四绕组AF-PMSG的详细设计提供了初始规格。

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一、研究背景与问题

多三相绕组电机结构允许将总功率分配到多个独立连接的变流器通道中，在发电系统中，当某一绕组组或其变流器发生故障时，其余健康绕组组仍可维持系统继续运行。双绕组和四绕组结构分别提供两套和四套绕组组，使电输出能够在独立连接的单元之间分配。然而，绕组组数量本身并不决定容错能力，故障后的运行还取决于电气隔离、磁耦合、保护策略以及剩余健康绕组组的控制方式。因此，冗余发电机的设计必须同时考虑整机要求和各绕组组分配的定额。

轴向磁通永磁同步发电机（AF-PMSG）具有盘状结构，适用于轴向空间受限的应用场景。其尺寸和电磁特性取决于定子–转子构型、直径比、气隙和绕组布置。已有研究涉及九相轴向磁通发电机和六相无铁心发电机，以及双三相绕组轴向磁通电机的电磁力与振动分析，表明多绕组运行在轴向磁通电机中同样具有相关性。然而，对于四绕组轴向磁通构型，如何将整机需求、四套绕组组之间的定额分配、候选轴向磁通几何结构以及估算运行区域纳入统一的计算流程，尚缺乏系统的初步设计方法。三维有限元分析（3D-FEA）虽能评估依赖几何结构的电磁特性，但其计算成本在迭代设计和优化中相当可观，且需要预先确定初始几何结构和绕组规格。因此，本研究聚焦于详细电磁分析之前的解析初步设计阶段，旨在为后续详细设计提供初始几何结构和绕组规格。

二、研究内容与结论

本文提出了一种采用载荷分布法的四绕组AF-PMSG初步设计流程，并应用于600 W、1500 rpm的设计方案。该流程将参考尺寸确定、绕组定额分配、近似轴向磁通几何生成和运行区域分析连接为一体，在详细电磁设计之前提供初始尺寸、绕组规格和估算运行特性。在理想等分假设下，四套三相绕组组各分配额定输出150 W。绕组匝数、导体截面积、相电阻、相电感和电流密度等绕组参数和电气参数均按规定的电压和电流分配计算。转矩–转速包络线以及电输出、效率和功率因数图谱均基于参考电机模型在规定的理想等分假设下解析估算，未经实验或FEA验证。组合绕组输出与参考输出的一致性反映了所施加的分配规则，并确认了该模型内的计算一致性。

该流程的适用性受限于保留的径向磁通载荷方程、用于生成轴向磁通几何的近似有效表面积等效方法，以及功率共享的理想化表示。因此，生成的轴向磁通几何应视为近似的初步模型，而非经定量验证的电机几何结构。绕组组之间的磁耦合、局部磁场分布、齿槽转矩以及不对称或故障条件下的电磁力不平衡等依赖几何结构的电磁效应，需要后续3D-FEA和实验验证。计算所得规格因此作为详细电磁设计和进一步评估的起始信息。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：载荷分布法（loading distribution method），即从额定输出功率、转速和端电压出发，通过径向磁通载荷方程依次确定气隙磁通、绕组匝数、永磁体尺寸、定子尺寸和电气参数；有效表面积等效法（active surface area equivalence），将参考径向磁通尺寸转换为环形轴向磁通几何结构，并定义内径与外径之比；理想等分分配规则（ideal equal-sharing assumption），将总功率和电流等额分配给四套独立三相绕组组；基于每相等效电路和相量模型的稳态特性分析，计算内电动势常数、速度相关同步电抗、输出功率、效率和转矩；以及一阶集总热模型和退磁裕度评估作为初步设计判据。该程序在MATLAB R2024a中实现，自动生成二维和三维几何结构并计算运行特性。

四、研究结果

设计规格与机器配置。 四绕组AF-PMSG由四套电气独立的三相绕组组构成，共用同一轴向磁通转子和磁芯结构。四套绕组组交错分布于整个36槽定子圆周，而非局限于独立的角度扇区。每套绕组组包含九个绕组位置，包括三个U相、三个V相和三个W相位置。四套绕组组设计为等额共享总发电功率，同时保持与基线单绕组电机相同的端线电压水平和基本电气性能。各模块独立的三相输出连接至独立的功率变换通道，各通道包含三相整流器和DC–DC变换器，连接至共享电池储能系统，通过变换器控制实现等功率共享。

解析设计结果。 表1汇总了解析设计结果。空载电动势偏差为6.70%，满足10%的判据。估算的绕组和磁体温度分别为91.49 °C和74.23 °C，低于130 °C和100 °C的限值。计算的退磁裕度为1865.44 Oe，满足正裕度判据。三项初步设计判据均获满足。

转矩–转速特性。 在理想等分假设下，四套绕组组各分配总输出能力的四分之一。四套组合后，系统解析复现了原单绕组发电机的整体转矩–转速运行包络线。负转矩表示发电运行，额定转矩以正幅值报告。

输出、效率和功率因数图谱。 在V_LL = 300 V下，电输出、效率和功率因数图谱覆盖了所评估的转速和转矩范围。由于四套绕组组电磁结构对称且电气参数相同，其性能分布几乎一致。组合后的总电输出、效率和功率因数图谱在全部运行区域内成功复现了原单绕组发电机的性能特征。四绕组组合系统提供600 W额定输出、3.820 N·m额定转矩、85.98%额定点效率和0.991功率因数，同时提供四套电气独立的三相功率通路。

五、讨论与结论

四绕组组合特性与参考电机特性的一致性，是分配规则的规定结果而非方法论贡献。贡献在于所描述的系统到模块的初步设计流程。该流程提供了一种将发电机需求与初步绕组规格和估算运行区域相关联的手段。其局限性包括保留的径向磁通载荷方程、近似表面积等效方法以及理想化的功率共享表示。生成的轴向磁通几何应视为近似初步模型，依赖几何结构的电磁效应需后续3D-FEA和实验验证。计算规格作为详细电磁设计和进一步评估的起点信息。