爪極發(fā)電機(jī)的氣隙磁場與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

匡秀洪，莊圣賢，匡秀鵬，熊冬情

(1.西南交通大學(xué)，四川成都 610031;2.三一重工股份有限公司，湖南長沙 410000)

0 引 言

汽車發(fā)電機(jī)是給汽車上各種用電設(shè)備提供電能和對蓄電池進(jìn)行充電的汽車電器設(shè)備?，F(xiàn)代汽車用交流發(fā)電機(jī)在實(shí)際使用時(shí)都存在著效率低的問題，因此對爪極發(fā)電機(jī)磁場的分析計(jì)算、研究影響效率的因素就成了研究的重點(diǎn)。本文對一臺型號為JFZ1725的電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)使用ANSOFT軟件進(jìn)行了三維建模和有限元分析，在三維瞬態(tài)場中計(jì)算了電機(jī)空載和負(fù)載時(shí)的氣隙磁通密度的波形及大小，同時(shí)利用MATLAB軟件對氣隙磁通密度進(jìn)行諧波分析。最后對爪極發(fā)電機(jī)的漏磁進(jìn)行了分析，針對爪極發(fā)電機(jī)漏磁嚴(yán)重，對爪極轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，論證了影響效率的因素，所得出的結(jié)論為爪極電機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

1 爪極發(fā)電機(jī)的機(jī)理分析

爪極發(fā)電機(jī)是一種特殊的三相交流同步電機(jī)，具有制造工藝簡單、體積小、成本低并且運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，它在汽車用發(fā)電機(jī)中占據(jù)了一定的優(yōu)勢。爪極發(fā)電機(jī)的定子上嵌有多相電樞繞組，其極數(shù)與轉(zhuǎn)子相同。轉(zhuǎn)子上裝有比較特殊的爪極磁極，這種磁極結(jié)構(gòu)有利于在轉(zhuǎn)子直徑較小的情況下，安排較多的磁極。除了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有較大差別外，爪極發(fā)電機(jī)的電磁分析方法與同步發(fā)電機(jī)相同。不計(jì)磁路飽和時(shí)，勵(lì)磁電流流過勵(lì)磁繞組產(chǎn)生勵(lì)磁磁動勢和主磁通，主磁通經(jīng)過磁路時(shí)便產(chǎn)生了空載每極總磁通和漏磁通?？蛰d每極總磁通在電樞繞組上產(chǎn)生空載感應(yīng)電動勢。當(dāng)帶載運(yùn)行時(shí)，由同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論可知，電樞磁動勢可以分解成直交軸磁動勢，直交軸磁動勢產(chǎn)生直交軸磁通并感應(yīng)出直交軸反電勢，勵(lì)磁繞組和電樞繞組產(chǎn)生的磁場相互作用便形成了主極氣隙磁場和負(fù)載感應(yīng)電動勢。以上關(guān)系可以表示如下:

2 爪極發(fā)電機(jī)磁場的研究

2.1 電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響

汽車用爪極發(fā)電機(jī)是一種特殊的凸極同步發(fā)電機(jī)。同步電機(jī)空載時(shí)，氣隙磁場就是由勵(lì)磁磁動勢所產(chǎn)生的同步旋轉(zhuǎn)的主磁場，在定子繞組中只感應(yīng)空載電動勢，帶上對稱負(fù)載后，定子繞組流過負(fù)載電流時(shí)，電樞繞組就會產(chǎn)生電樞磁動勢以及相應(yīng)的電樞磁場，若僅考慮其基波，則它與轉(zhuǎn)子同向、同速旋轉(zhuǎn)，它的存在使空氣隙磁動勢分布發(fā)生變化，從而使空氣隙磁場以及繞組中感應(yīng)電動勢發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。為了使沿軸向的氣隙磁密均勻，轉(zhuǎn)子爪極通常做成梯形結(jié)構(gòu)。所以爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極弧系數(shù)是沿軸向變化的，若沿N極的極弧系數(shù)逐漸變小的方向，則S極的極弧系數(shù)將逐漸變大。通過對每個(gè)截面進(jìn)行許克變換來求解氣隙磁場的磁密波形，然后用積分的方式求解繞組的感應(yīng)電勢。

通過在氣隙中取一個(gè)氣隙面來研究電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響。取轉(zhuǎn)子與定子位置相同時(shí)刻的氣隙面空載和純電阻性負(fù)載仿真磁矢量和磁密云圖如圖1所示。

圖1 氣隙面磁矢量和磁密云圖

由圖1可知，由于電樞反應(yīng)的影響，空載和負(fù)載時(shí)氣隙磁場的磁通密度分布及大小都發(fā)生了明顯變化。為了更進(jìn)一步研究，建立電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)Maxwell 3D瞬態(tài)場的六分之一模型，空載時(shí)磁力線分布仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 空載時(shí)一對極模型磁力線分布圖

為了對電樞反應(yīng)進(jìn)行研究，在氣隙中于Z=0處做一個(gè)圓弧，對空載和負(fù)載時(shí)氣隙磁密進(jìn)行分析?？蛰d和純電阻性負(fù)載(R=0.17 Ω)時(shí)的氣隙磁通密度波形如圖3所示。

圖3 Z=0處氣隙磁通密度波形

對圖3的觀察可知，和空載相比較，負(fù)載時(shí)氣隙磁通密度波形發(fā)生畸變。在負(fù)載時(shí)電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的主極氣隙磁場是由電樞繞組和勵(lì)磁繞組的合成磁動勢決定。由于電樞反應(yīng)的影響，電樞繞組上會產(chǎn)生出一系列奇次諧波電動勢和電流，使發(fā)電機(jī)的電壓波形產(chǎn)生畸變，電機(jī)損耗增加，從而導(dǎo)致了負(fù)載時(shí)氣隙磁密基波幅值變小、波形畸變。

2.2 氣隙磁場的諧波分析

下面對電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)在Maxwell 3D靜磁場中仿真得出的空載氣隙磁密波形進(jìn)行諧波分析。利用MATLAB軟件編程對空載氣隙磁密波形進(jìn)行傅里葉分解，其前7次諧波波形及幅值大小如圖4所示。

圖4 空載氣隙磁密的傅里葉分解

高次諧波電動勢的存在使爪極發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動勢波形變壞，并使發(fā)電機(jī)本身的雜散損耗增大，溫升增高，效率降低。由諧波電動勢公式 EΦv=4.44fvNkwvΦf可知，通過減小 kwv或 Φv，可以降低EΦv，具體削弱諧波電動勢的方法闡述如下。

(1)優(yōu)化爪極結(jié)構(gòu)，使氣隙磁場接近正弦分布:通過采用適當(dāng)?shù)淖O寬度(通常使等效極靴寬度和極距的比值為0.7～0.75)和不均勻的氣隙長度(磁極中心氣隙較小，磁極邊緣的氣隙較大)，可實(shí)現(xiàn)氣隙磁場波形盡可能接近正弦分布。

(2)采用短距繞組:適當(dāng)?shù)剡x擇線圈的節(jié)距，使得某一次諧波的節(jié)距因數(shù)等于或接近于零，即可達(dá)到消除或削弱該次諧波的目的。

(3)采用分布繞組:就分布繞組而言，每極每相槽數(shù)q越大，抑制諧波電動勢的效果就越好。但是q增大，意味著總槽數(shù)增多，電機(jī)成本提高。

(4)采用斜槽:采用斜槽并使斜槽寬度等于定子齒距，以削弱齒諧波磁場產(chǎn)生的齒諧波電勢，在爪極發(fā)電機(jī)中常采用半閉口槽來減小開口槽以及由此引起的氣隙磁導(dǎo)變化和齒諧波。

2.3 爪極發(fā)電機(jī)的漏磁分析

由于爪極發(fā)電機(jī)特殊的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致漏磁嚴(yán)重，其分布也比一般電機(jī)復(fù)雜。電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的漏磁分布如圖5所示。根據(jù)磁阻最小原理，磁力線總是沿磁阻最小的路徑閉合，所以漏磁通Φσ1、Φσ2和 Φσ6的值比較大。而漏磁通 Φσ3、Φσ4和Φσ5的值則相應(yīng)較小。

圖5 爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子漏磁分布

爪極發(fā)電機(jī)的漏磁嚴(yán)重是導(dǎo)致爪極發(fā)電機(jī)效率不高的一個(gè)重要因素。因?yàn)槁┐糯螅瑸楫a(chǎn)生同樣的氣隙磁通和感應(yīng)電動勢，就必須增大勵(lì)磁電流，亦增大了勵(lì)磁損耗，或增大繞組匝數(shù)，帶來繞組銅耗的增大，漏磁系數(shù)σ是表征電機(jī)漏磁大小的一個(gè)重要參數(shù)。求取漏磁系數(shù)σ公式如下:

式中:Bm是轉(zhuǎn)子軛部的磁密值;S是轉(zhuǎn)子軛部的截面積;ψ是電樞繞組的磁鏈;N是每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)。

從以上分析可知，可以從以下幾個(gè)方面來考慮減小漏磁，提高爪極發(fā)電機(jī)效率。

(1)在嵌線工藝允許的前提下，定子槽口應(yīng)盡量小，以有利于磁力線通過氣隙，從而減小漏磁。

(2)在極對數(shù)一定的前提下，可以適當(dāng)減小爪極的寬度，以增大爪極兩側(cè)面之間的距離，即增大了爪極兩側(cè)面的磁阻，減小漏磁通Φσ1和Φσ2。

(3)可以考慮在爪極兩側(cè)面之間安裝永磁體，以增大每極主磁通，減小漏磁通。

3 爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的效率通常都不高，這是爪極發(fā)電機(jī)的致命缺點(diǎn)，所以探求影響爪極發(fā)電機(jī)效率的因素和節(jié)約成本成為研究的重點(diǎn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)由參數(shù)化分析和優(yōu)化分析兩部分構(gòu)成。使用優(yōu)化器可以在眾多可行的方案中找出一個(gè)最優(yōu)解。一般原始的設(shè)計(jì)方案是一個(gè)初步的設(shè)計(jì)方案，需要將原始設(shè)計(jì)方案中的一些設(shè)計(jì)參數(shù)用變量定義，然后對這些變量進(jìn)行優(yōu)化。參數(shù)化分析是定義一個(gè)或多個(gè)掃描變量，并對每個(gè)掃描變量定義取值范圍。優(yōu)化器會在所有變量取值點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得到一系列結(jié)果，從而就可以對結(jié)果進(jìn)行比較，以確定每個(gè)設(shè)計(jì)變量對最終設(shè)計(jì)性能的影響。

下面使用基于ANSOFT軟件的RMxprt模塊來研究這些結(jié)構(gòu)尺寸對爪極發(fā)電機(jī)效率的影響。影響爪極發(fā)電機(jī)效率的幾個(gè)重要結(jié)構(gòu)尺寸為氣隙長度、定子鐵心長度、尖部極弧系數(shù)、根部極弧系數(shù)、磁極長度。

通過對氣隙長度進(jìn)行參數(shù)化掃描來分析氣隙長度大小對效率的影響，仿真結(jié)果如圖6所示。圖中d代表轉(zhuǎn)子的外徑，定子內(nèi)徑為92 mm。

從圖6中可以看出，氣隙長度δ對電機(jī)的性能影響較大，氣隙長度的減小可以減少電機(jī)的勵(lì)磁安匝，從而可以提高效率。但如果氣隙長度過小，會導(dǎo)致電樞反應(yīng)嚴(yán)重，諧波磁場增大，電機(jī)定轉(zhuǎn)子表面的渦流損耗及電磁噪聲增加;還會使同步電機(jī)的同步電抗增大，短路比減小，運(yùn)行穩(wěn)定性變差;同時(shí)過小的氣隙將會由于機(jī)械和電磁的原因，對電機(jī)的運(yùn)行可靠性帶來一定的影響。因此，氣隙的選取需要綜合考慮其對電機(jī)各項(xiàng)主要性能的影響。

同理對定子鐵心長度進(jìn)行參數(shù)化掃描，仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，隨著定子鐵心長度的增加，效率呈增加的趨勢，但是定子鐵心長度達(dá)到一定值時(shí)效率增加速率明顯減弱，所以可以優(yōu)化出最適合的定子鐵心長度，從而可以節(jié)約定子鐵心材料，降低成本。

綜合上述結(jié)果，我們可以利用正交試驗(yàn)原理思想，先把氣隙長度和定子鐵心長度這兩個(gè)對效率影響比較大的因素先定下來，再來分析尖部極弧系數(shù)、根部極弧系數(shù)、磁極長度這幾個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸對效率的綜合影響。對這幾個(gè)變量同時(shí)進(jìn)行參數(shù)化掃描仿真結(jié)果如表1所示。其中R代表根部極弧系數(shù)，T代表尖部極弧系數(shù)。由表1可知，從節(jié)約轉(zhuǎn)子材料成本的角度來看我們可以取磁極長度為26 mm，R=0.8，T=0.5。

表1 爪極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)多變量效率優(yōu)化

4 結(jié) 語

本文通過對電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的磁場進(jìn)行了全面的分析，探討了電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響、氣隙磁場的高次諧波和爪極發(fā)電機(jī)的漏磁通等方面。得出了電樞反應(yīng)和諧波的存在使爪極發(fā)電機(jī)氣隙磁場畸變、損耗增加的結(jié)論，并提出了相關(guān)的解決辦法。最后通過參數(shù)化掃描的方法得出了結(jié)構(gòu)尺寸和效率之間的關(guān)系曲線，再利用正交試驗(yàn)原理來優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)得出了最優(yōu)解，以達(dá)到減少漏磁、提高效率的目的。

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