車輛用交流發(fā)電機(jī)發(fā)電性能仿真分析計(jì)算方法

張志華

(錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧錦州 121013)

0 引言

Ansoft軟件包含了高頻、低頻、線路板及封裝等仿真模塊，涉及電機(jī)電磁仿真計(jì)算方面的主要有 Rmxprt、Maxwell2D、Maxwell3D、Simplore 四個(gè)模塊。其中Rmxprt包含了常見的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁直流無刷電機(jī)、永磁直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、通用電動(dòng)機(jī)、爪極交流發(fā)電機(jī)等參數(shù)化計(jì)算模型。通過Rmxprt可自動(dòng)生成Maxwell2D/3D模型文件，同時(shí)也可以為Simplore系統(tǒng)分析提供封裝的電機(jī)元件模型。

本文將利用Ansoft軟件中的Rmxprt(爪極交流發(fā)電機(jī)模型)和Simplore兩個(gè)模塊，對(duì)車輛用交流爪極發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能進(jìn)行系統(tǒng)分析，來評(píng)價(jià)爪極發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)的設(shè)計(jì)是否符合要求。

JFZ系列型號(hào)爪極交流發(fā)電機(jī)常用于12 V乘用車車載系統(tǒng)，為整車用電設(shè)備供電，同時(shí)為蓄電池充電。發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能是整車用電匹配極其重要的技術(shù)參數(shù)，也是發(fā)電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)最先關(guān)注的焦點(diǎn)。以往對(duì)發(fā)電機(jī)性能的調(diào)整是依據(jù)整車技術(shù)條件的要求，通過復(fù)雜的理論計(jì)算來修改電磁參數(shù)，然后做手工樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通常情況下，由于理論計(jì)算時(shí)涉及的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)選取、計(jì)算模型合理性等問題的限制，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算偏差較大，而且計(jì)算過程較為復(fù)雜，依賴于設(shè)計(jì)者掌握電機(jī)知識(shí)的程度，整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算過程不易于推廣和工程化。本文利用Ansoft軟件可解決以上不足。

1 建立爪極交流發(fā)電機(jī)模型

在Rmxprt模塊中所建立的爪極發(fā)電機(jī)模型只可計(jì)算三相交流輸出，為了能獲得整流后輸出的直流性能數(shù)據(jù)，需要在Simplore軟件中進(jìn)行整流和加負(fù)載的系統(tǒng)仿真計(jì)算。但是在Simplore軟件中所用的電機(jī)元件模型，就是用Rmxprt模塊建立的。

首先進(jìn)入Ansoft軟件的Maxwell界面，按照?qǐng)D1所示的流程進(jìn)行操作，其中模型的結(jié)構(gòu)及電磁參數(shù)按表1～表3的內(nèi)容進(jìn)行填寫。

圖1 Rmxprt計(jì)算流程圖

表1 整機(jī)參數(shù)

表2 定子總成參數(shù)

表3 轉(zhuǎn)子總成參數(shù)

在設(shè)置接線方式時(shí)，需在Design Settings→User defined data中將enable選項(xiàng)鉤選上，然后再重新進(jìn)入，并在文本框內(nèi)輸入編輯:“Connection 1”。其中“Connection”的首寫字母C必須是大寫，否則是無效的。數(shù)字“1”表示的是角接;如果是星接，可將“1”改為“0”。

其他參數(shù)設(shè)置按表1～表3數(shù)據(jù)填寫即可。

分析計(jì)算結(jié)束后，通過 Analysis setup→Export→simplore model..對(duì)話框，將爪極發(fā)電機(jī)模型導(dǎo)出成*.SML文件，將 SML文件導(dǎo)入到Simplore軟件中，即可作為爪極交流發(fā)電機(jī)元件，來搭建系統(tǒng)仿真電路，從而進(jìn)行發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)仿真分析。

2 建立系統(tǒng)仿真模型

Simplore是Ansoft的一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)仿真軟件，其不但可以將Rmxprt導(dǎo)出的SML文件導(dǎo)入其中，當(dāng)做一個(gè)元件進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的仿真，還可以Mmaxwell2D/3D進(jìn)行雙向或單向聯(lián)合仿真。

本文針對(duì)JFZxxxx發(fā)電機(jī)進(jìn)行整流系統(tǒng)仿真計(jì)算，以求其發(fā)電性能。其操作流程與Rmxprt類似。首先打開Simplore軟件，新建一個(gè)項(xiàng)目，將Rmxprt導(dǎo)出的SML文件導(dǎo)入該項(xiàng)目中，將該電機(jī)元件模型放置繪圖區(qū)。其他電子元件在“project manager”窗口下，選擇“component”標(biāo)簽，并將其展開，在“Basic Elements”中的“Circuit”文件中選擇所需元件。各元器件可按表4中所指路徑查找添加，按圖2(爪極發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)仿真電路圖)布置即可。同時(shí)修改各元件參數(shù)。

表4 系統(tǒng)仿真元件參數(shù)

圖2 爪極發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)仿真電路圖

各元件按圖2布置連接完成后，在該項(xiàng)目下的“Analysis”中添加“Options”，并在“Options”窗口內(nèi)設(shè)置最大迭代數(shù)為40。在瞬態(tài)分析“TR”中設(shè)置仿真時(shí)間為20 ms，最小時(shí)間步長(zhǎng)為5 e-7 s，最大時(shí)間步長(zhǎng)為5 e-5 s。

負(fù)載電阻的阻值可通過兩種方法確定:

(1)反復(fù)修改負(fù)載阻值，使整流輸出的電壓平均值接近13.5 V來確定負(fù)載電阻;

(2)將負(fù)載電阻值設(shè)置為變量，并對(duì)該變量進(jìn)行掃描計(jì)算。計(jì)算完成后，在Simplore的后處理“Results”下新建一個(gè)負(fù)載電阻的電壓曲線，同時(shí)將負(fù)載電阻的所有值均選上;然后將所有曲線作5～20 ms間平均值，從中查找接近13.5 V的輸出電壓性能曲線，以確定該電壓值對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻。

通過確定的負(fù)載電阻，可作出該負(fù)載條件下的輸出電流曲線;然后再對(duì)該電流曲線作5～20 ms的平均值，即得到了該轉(zhuǎn)速下，輸出13.5 V電壓的情況下的發(fā)電機(jī)發(fā)電性能。

通過以上操作過程，可以得出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 800 r/min，整流后輸出平均電壓為13.5 V時(shí)，負(fù)載電阻為188 mΩ。該負(fù)載條件所對(duì)應(yīng)的發(fā)電性能，即整流輸出電流平均值為71.8 A，其發(fā)電性能曲線如圖3所示。其他轉(zhuǎn)速的發(fā)電性能同樣按上述的方法操作獲得。

圖3 發(fā)電機(jī)整流輸出電流曲線

3 系統(tǒng)仿真分析數(shù)據(jù)與手工樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過Simplore的系統(tǒng)仿真分析計(jì)算后，在后處理“Results”新建一個(gè)負(fù)載電阻的電流曲線。操作過程:右擊 Results選擇 create standard report→rectangular plot..出現(xiàn) report窗口，先在Category列表框中選擇“ALL”，之后在Quantity列表框里會(huì)顯示出相關(guān)參數(shù)，在其中選擇Load.I或AM1.I皆可。點(diǎn)擊NewReport按鈕，即可生成負(fù)載電流曲線。對(duì)該電流曲線作5～20 ms的平均值計(jì)算。操作過程:在曲線圖形區(qū)點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 trace characteristics→Add...，打開了 Add trace characteristics窗口，在category中選擇Math，在Function中選擇Avg，在下面的表格中，range選擇specified，起始值設(shè)置為5 ms，結(jié)束值設(shè)置為20 ms。點(diǎn)擊“done”按鈕，即可在電流曲線圖形中顯示5～20 ms間的電流平均值，如圖3所示，其Load.I的平均值為 71.792 7A。

通過上述操作，可依次計(jì)算出各轉(zhuǎn)速下的輸出電流。經(jīng)計(jì)算，如表5所示。將仿真數(shù)據(jù)與手工樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最大偏差率在4.5%以內(nèi)，尤其在額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)，其偏差率僅為1.09%。故，該仿真模型的建立和分析方法的設(shè)計(jì)是可靠的。

表5 仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語

爪極發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，功率體密度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。其作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:定子上嵌有多相電樞繞組，其極數(shù)與轉(zhuǎn)子相同。轉(zhuǎn)子上裝有較特殊的前、后爪形磁極，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。爪極轉(zhuǎn)子上裝有勵(lì)磁繞組或永磁體。發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓，繞組各相通過整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成直流電，以供車載電器設(shè)備用電和蓄電池充電。

本文通過使用Ansoft軟件中的Rmxprt模塊和Simplore軟件，有效快速的對(duì)爪極發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真分析和驗(yàn)證，其結(jié)果是可信的。通過該方法也可針對(duì)電磁參數(shù)中的某一數(shù)據(jù)反復(fù)分析調(diào)整，以獲取電機(jī)整體參數(shù)匹配的最優(yōu)方案。該方法不僅可以提高產(chǎn)品開發(fā)的效率，還可以減少物理樣機(jī)反復(fù)開發(fā)的修正次數(shù)，節(jié)約了開發(fā)成本，為產(chǎn)品盡快推向市場(chǎng)，提供了技術(shù)保障。