倪有源,李 偉,鮑曉華,姜文東
(1.合肥工業(yè)大學(xué),安徽合肥 230009;2.安徽合力股份有限公司,安徽合肥 230022)
最近幾十年汽車用發(fā)電機一直采用爪極發(fā)電機,爪極發(fā)電機是電勵磁發(fā)電機。爪極發(fā)電機由于結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低等因素,廣泛應(yīng)用于汽車中。隨著現(xiàn)代汽車內(nèi)電負(fù)載的日益增長,對汽車電氣系統(tǒng)的需求也相應(yīng)增長。未來汽車發(fā)電機功率將逐漸增大。傳統(tǒng)的爪極發(fā)電機輸出功率一般小于2 kW,而且效率低。因此需要設(shè)計功率較大、性價比高的新型發(fā)電機。要增加功率,只單獨增加電流等級是不行的,因為電流越大,發(fā)熱越嚴(yán)重,損耗也越大。因此傳統(tǒng)的爪極發(fā)電機不能滿足日益增長的功率和效率要求,將不再是理想的選擇。
與電勵磁發(fā)電機比較,永磁發(fā)電機具有不需要提供電勵磁、體積小、重量輕、效率高、壽命長、性價比高等優(yōu)點,將可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的爪極發(fā)電機,成為汽車用發(fā)電機的首選。與同功率發(fā)電機相比,永磁發(fā)電機延長了軸承的使用壽命,避免了電勵磁發(fā)電機的勵磁繞組易燒毀、短路、斷線等問題。因此永磁同步發(fā)電機可應(yīng)用于汽車上,而42 V是很好的電壓等級,分析研究42 V汽車用永磁發(fā)電機具有重要的意義和工程應(yīng)用價值。
近年來國內(nèi)外對汽車用永磁同步發(fā)電機的研究十分活躍[1-10]。文獻[1-2]提出雙定子外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁電機,具有發(fā)電和起動發(fā)動機兩種功能,可以用于汽車或混合動力汽車中。文獻[3]給出一臺1.5 kVA永磁發(fā)電機的設(shè)計結(jié)果,但并沒有給出設(shè)計過程。文獻[4]給出一臺汽車用混合勵磁發(fā)電機的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果?;旌蟿畲虐l(fā)電機雖然可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流調(diào)節(jié)輸出電壓,但混合勵磁的結(jié)構(gòu)和磁路都過于復(fù)雜,不易推廣應(yīng)用。文獻[5]設(shè)計一臺6 kW內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的汽車用永磁發(fā)電機,但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,制造工藝復(fù)雜,也不易推廣應(yīng)用。文獻[6-7]提出一種新型結(jié)構(gòu)的混合勵磁發(fā)電機,用于混合電動汽車中,但其結(jié)構(gòu)也過于復(fù)雜。文獻[8]采用有限元方法分析電樞反應(yīng)和氣隙磁導(dǎo)對切向式永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。
但是國內(nèi)外對于汽車用永磁發(fā)電機的電磁設(shè)計研究卻比較匱乏。有限元方法雖然計算精確,但計算費時。和有限元方法相比,等效磁路方法具有計算時間短的優(yōu)點。本文采用等效磁路方法設(shè)計一臺42 V汽車用永磁發(fā)電機,分析研究了發(fā)電機主要尺寸、極弧系數(shù)以及定子繞組設(shè)計等電磁設(shè)計過程,得到了一臺汽車用永磁發(fā)電機的設(shè)計結(jié)果。并在此基礎(chǔ)上,進一步分析研究該電機,得到功角關(guān)系曲線、功率與效率的關(guān)系曲線、極對數(shù)與效率的關(guān)系曲線、氣隙與效率的關(guān)系曲線等。電機結(jié)構(gòu)簡單,便于生產(chǎn)制造,并解決了電磁設(shè)計中的一些問題。本文對汽車用永磁發(fā)電機的電磁設(shè)計、參數(shù)計算和優(yōu)化設(shè)計等提供了一定的理論參考。
汽車用永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等。為減小鐵耗,定子采用疊片結(jié)構(gòu)。永磁同步發(fā)電機與其它發(fā)電機最主要的區(qū)別是轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)[11]。汽車用永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)主要有以下四種結(jié)構(gòu):切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、混合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和軸向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。汽車用永磁同步發(fā)電機的勵磁由永磁體提供。電機電樞反應(yīng)的性質(zhì)由電樞磁動勢基波Fa與勵磁磁動勢基波Ff1的空間相對位置決定。電樞磁動勢基波Fa包括直軸和交軸兩個分量,氣隙合成磁動勢為Fδ=Ff1+Fa,永磁同步發(fā)電機端電壓隨氣隙合成磁動勢的變化而變化。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時,引起發(fā)電機輸出的端電壓變化,由于永磁體提供的勵磁無法調(diào)節(jié),所以不能保證發(fā)電機輸出的端電壓恒定,這與電勵磁同步發(fā)電機明顯不同。
設(shè)計一臺汽車用永磁同步發(fā)電機時應(yīng)滿足規(guī)定的各項技術(shù)要求,效率η、功率因數(shù)cosφ、固有電壓調(diào)整率Δu等各項主要性能應(yīng)達(dá)到一定指標(biāo)[11]。
汽車用永磁同步發(fā)電機的設(shè)計要求中通常給出下列額定數(shù)據(jù):額定容量PN;電機相數(shù)m;額定相電壓UN;額定效率ηN;額定頻率f;固有電壓調(diào)整率ΔuN;冷卻方式等。
圖1 汽車用永磁同步發(fā)電機模型
圖2 永磁發(fā)電機等效磁路
設(shè)計的永磁發(fā)電機模型如圖1所示,為徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖2為永磁發(fā)電機一對極的等效磁路。圖中,Φr和Rm為一對極下永磁體等效為一個恒定磁通源和一個磁阻的并聯(lián);Fm和Φm分別為對外表現(xiàn)的磁動勢和磁通;Φδ和Rδ分別為主磁路的主磁通和磁阻;Φσ和Rσ分別為漏磁路的漏磁通和漏磁阻;Fad為直軸電樞反應(yīng)磁動勢。
(1)電磁負(fù)荷的選擇
當(dāng)電機的容量和轉(zhuǎn)速一定時,電機的主要尺寸取決于電磁負(fù)荷。永磁式和電磁式一樣,提高線負(fù)荷A、氣隙磁密Bδ能增加電機輸出或減小電機體積。但是線負(fù)荷A受到電機發(fā)熱和工作特性的限制,而氣隙磁密則受到磁鐵特性和磁路參數(shù)的限制。同時,比值A(chǔ)/Bδ影響到發(fā)電機的電壓調(diào)整率和短路電流倍數(shù)。設(shè)計中,A和Bδ的參考數(shù)據(jù)如下:線負(fù)荷A 為10~20 A/cm;氣隙磁密Bδ為0.65~0.8 T。
(3)主要尺寸比的選擇
(4)主要尺寸的確定
(1)永磁材料的選擇
永磁同步發(fā)電機通常采用釹鐵硼或鐵氧體永磁,優(yōu)點是氣隙磁密高、功率密度高、體積小質(zhì)量輕。但永磁體的溫度系數(shù)較高,輸出電壓隨環(huán)境變化而變化,導(dǎo)致輸出電壓偏離額定電壓,且難以調(diào)節(jié)。
具體選用時,應(yīng)從工藝、成本等多方面分析后確定選用何種永磁材料。在永磁同步發(fā)電機的設(shè)計中,選擇的永磁材料為XGS-200;通過查表得到其剩余磁通密度為1.04 T,計算矯頑力為774 kA/m。
(2)永磁體尺寸的確定
設(shè)計中永磁體軸向長度一般取等于或略小于電機鐵心軸向長度,因此只需設(shè)計永磁體尺寸的另外兩個參數(shù):磁化方向長度hM和寬度。
永磁體磁化方向長度hM是決定直軸電抗Xad的一個重要因素,所以hM的確定應(yīng)使Xad合理;同時hM不能過薄,過薄容易造成永磁體生產(chǎn)的廢品率上升,且永磁體不易運輸,易于退磁。對于徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁體磁化方向長度的估算公式:
式中:Ks是電機飽和系數(shù),一般取1.05~1.3;Kα與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān),一般取0.7~1.2;bm0為預(yù)估電機永磁體空載工作點,初取值為0.8;σ0為預(yù)估電機空載漏磁系數(shù),初取值為1.2。
永磁體寬度bM決定永磁體能夠提供磁通的面積,其估算公式:
在設(shè)計中,取永磁體的軸向長度LM=L1。
對于徑向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),永磁體的每極截面積為AM=hMbM;每對極磁化方向長度hMp=2hM。永磁體的體積Vm=pAMhMp,其中p為極對數(shù)。永磁體質(zhì)量mm=ρVm×10-3,其中 ρ=8.1 g/cm3。
選擇氣隙δ時應(yīng)考慮到發(fā)電機的過載能力、靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性以及電機的經(jīng)濟性,增加δ時能提高電機的過載能力和穩(wěn)定性;但是勵磁功率增加,電機的經(jīng)濟性較差。除此之外,還應(yīng)考慮到磁鐵的利用程度,從最佳利用磁鐵出發(fā),應(yīng)盡量提高有效磁導(dǎo),即盡量減小空氣隙。但是氣隙的最小值受到機械條件的限制,一般取δ=0.5~2 mm。
本設(shè)計中預(yù)取空氣隙長度δ1=0.5mm,非磁性材料套環(huán)的厚度Δ=1.5 mm,所以氣隙長度δ=δ1+Δ=2 mm。
極弧系數(shù)αp為極弧長度與極距的比值,增大αp能使有效磁通增加,但也擴大了橫軸電樞反應(yīng)的作用,加深了氣隙磁場的畸變;過大的αp值使磁鐵的工作點下降,因此極弧系數(shù)不能過大。在本設(shè)計中取 αp=0.8。
(1)定子繞組的設(shè)計
在完成每極每相槽數(shù)q的選擇、繞組型式的選擇、繞組節(jié)距y和斜槽寬度的選擇、繞組因數(shù)的計算等之后,定子繞組設(shè)計也就完成了。
(2)定子沖片的設(shè)計
在永磁同步發(fā)電機中通常采用梨形槽和梯形槽,屬于半閉口槽。這種槽型可以減少鐵心表面損耗和齒內(nèi)脈振損耗,并使有效氣隙長度減小,改善功率因數(shù)。其中梨形槽比梯形槽的槽面積利用率高,沖模壽命長,而且槽絕緣的彎曲程度小,不易損傷。所以本設(shè)計中使用梨形槽。計算槽面積、槽絕緣所占面積可得槽的有效面積,可進一步計算得到槽滿率。
計算總漏磁導(dǎo)、交軸電樞反應(yīng)電抗、交軸同步電抗、內(nèi)功率因數(shù)角、每極直軸電樞磁動勢等參數(shù),確定永磁體負(fù)載工作點。
短路電流倍數(shù):
永磁發(fā)電機整個電磁設(shè)計流程圖如圖3所示,流程圖中包括幾個迭代過程,只有當(dāng)計算值與理想值的誤差小于設(shè)定值時,迭代中止。
圖3 永磁發(fā)電機電磁設(shè)計流程圖
根據(jù)汽車用永磁同步發(fā)電機的電磁設(shè)計過程,利用MATLAB軟件編寫汽車用永磁同步發(fā)電機的設(shè)計程序,程序中涉及到槽滿率、電壓調(diào)整率以及效率等幾個循環(huán),直到各參數(shù)都滿足設(shè)計要求為止。以下給出設(shè)計結(jié)果。
(1)永磁同步發(fā)電機設(shè)計結(jié)果
汽車用永磁發(fā)電機的設(shè)計要求:額定容量SN=2.5 kVA;電機相數(shù) m=3;額定相電壓 UN=17.898 V;額定效率ηN=90%;額定頻率f=50 Hz;固有電壓調(diào)整率ΔuN=10%。
運行程序得到設(shè)計結(jié)果。表1列出了電機主要尺寸設(shè)計結(jié)果,電機為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),永磁體的磁化方向為徑向。表2列出了電機主要性能參數(shù)計算結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可知,設(shè)計結(jié)果基本滿足設(shè)計要求。
表1 電機主要尺寸設(shè)計結(jié)果
表2 電機主要性能參數(shù)
(2)永磁發(fā)電機的功角特性曲線
當(dāng)發(fā)電機的勵磁電動勢E0和端電壓U保持不變時,發(fā)電機的電磁功率Pe與功角δ之間的關(guān)系Pe=f(δ),稱為功角特性。其表達(dá)式:
式中:右邊第一項Pe1稱為基本電磁功率;第二項Pe2稱為附加電磁功率;其功角特性如圖4所示。由圖4可知,當(dāng)0°≤δ≤180°,電磁功率 Pe為正值,電機處于發(fā)電機狀態(tài);當(dāng)-180°≤δ≤0°,電磁功率Pe為負(fù)值,電機處于電動機狀態(tài)。
(3)發(fā)電機的效率與功率關(guān)系
在改變永磁同步發(fā)電機的功率PN的情況下,運行程序,得到各個額定功率下的效率值,如圖5所示。由圖5可知,當(dāng)所要設(shè)計的功率上升時,設(shè)計的永磁同步發(fā)電機效率略微上升。
圖4 發(fā)電機功角特性曲線
圖5 發(fā)電機功率與效率的關(guān)系
(4)發(fā)電機的極對數(shù)與效率關(guān)系
當(dāng)設(shè)計要求中的額定功率不變,改變永磁同步發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速,即改變電機的極對數(shù)p。以2.5 kVA的發(fā)電機為例,改變電機的極對數(shù),得到極對數(shù)p與效率的關(guān)系,如圖6所示。由圖6可知,當(dāng)設(shè)計要求中的額定轉(zhuǎn)速減小而其它要求不變時,設(shè)計的電機效率將會略微下降。
(5)發(fā)電機氣隙長度和效率的關(guān)系
圖7為汽車用永磁發(fā)電機氣隙長度和效率的關(guān)系曲線。當(dāng)發(fā)電機的氣隙增大時,電機內(nèi)部的漏磁增大,由等效磁路可知,磁路中磁阻增大,電機發(fā)熱、效率減小。但由于制造工藝的約束,氣隙長度并不能取得很小。
圖6 發(fā)電機的極對數(shù)與效率關(guān)系曲線
圖7 氣隙長度與電機效率曲線
本文分析研究了42 V汽車用永磁發(fā)電機具有重要的意義和工程應(yīng)用價值。等效磁路方法具有計算時間短的優(yōu)點。在分析永磁同步發(fā)電機設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,考慮到汽車用發(fā)電機的發(fā)展趨勢,采用等效磁路方法計算得到一臺42 V汽車用永磁同步發(fā)電機的設(shè)計結(jié)果。并在此基礎(chǔ)上,進一步分析研究該電機,得到電機的功角特性曲線、效率與功率的關(guān)系曲線、極對數(shù)與效率的關(guān)系曲線、氣隙長度與效率的關(guān)系曲線等。效率隨著功率增加而增加,效率隨著極對數(shù)增加而減小,效率隨著氣隙長度與增加而減小。由設(shè)計結(jié)果可知,通過增加永磁體的尺寸、或者增加發(fā)電機的功率,或者減小發(fā)電機的極對數(shù)等方式都可以提高發(fā)電機的效率。本文對于小功率永磁發(fā)電機的電磁設(shè)計、參數(shù)計算和優(yōu)化設(shè)計等具有一定的理論參考價值。
[1]Zhang Dong,Chau K T,Shuangxia Niu,et al.Design and analysis of a double-stator cup-rotor PM integrated-starter-generator[C]//The 41st IAS Annual Meeting Conference on Industry Applications Conference.Tampa,F(xiàn)L,2006:20 -26.
[2]Chau K T,Li Y B,Jiang J Z,et al.Design and analysis of a stator-doubly-fed doubly-salient permanent-magnet machine for automotive engines[J].IEEE Transactions on Magnetics,2006,42(10):3470-3472.
[3]Zhang Bingyi,Ren Yi,Li Minghui,et al.A novel contactless auto-generation(36V)system[C]//The International Conference on Electrical Machines and Systems.Wuhan,China,2008:1168 -1173.
[4]Finken T,Hameyer K.Study and geometry optimization of hybrid excited synchronous alternators for automotive applications[C]//IEEE International Electric Machines& Drives Conference.2007:124-128.
[5]Kukolj V Z,Soong W L,Ertugrul N.Iron loss reduction in an interior PM automotive alternator[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2006,42(6):1478 -1486.
[6]Al- Adsani A S,Schofield N.Hybrid permanent magnet generators for electric vehicle applications[C]//IEEE International Conference on Electric Machines and Drives.2009:1754 -1761.
[7]Finken T,Hameyer K.Study and geometry optimization of hybrid excited synchronous alternators for automotive applications[C]//IEEE International Electric Machines & Drives Conference.2007:124-128.
[8]Qian Hao,Guo Hong,Huang Zhi,et al.Multi- Domain analysis of tangential- set permanent magnet synchronous generator[C]//IEEE International Conference on Electric Machines and Systems.2010:1773-1776.
[9]曉青.新型車用永磁發(fā)電機及其應(yīng)用前景[J].微電機,2009,42(1):74-75.
[10]韓永偉,張學(xué)義.汽車起動/發(fā)電機系統(tǒng)研究現(xiàn)狀[J].微電機,2009,42(2):74 -76.
[11]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002 .
[12]陳世坤.電機設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.
[13]王秀和.永磁電機[M].北京:中國電力出版社,2007.