測(cè)量爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳賽飚,施小豹

(安徽皖南電機(jī)股份有限公司，安徽 涇縣242500)

摘要：設(shè)計(jì)了一種測(cè)量爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)能很好地模擬電機(jī)的工作環(huán)境。受傳感器采樣頻率的限制，測(cè)試的電機(jī)工作在低速狀態(tài)。通過分別對(duì)爪極結(jié)構(gòu)上開槽、切邊處理后電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，其激振力波、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小，從而在理論上得到很好的驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：爪極發(fā)電機(jī)； 轉(zhuǎn)矩； 試驗(yàn)系統(tǒng)

通訊作者：施小豹

中圖分類號(hào)：TM 306文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期:2015-04-22

Experimental Test System Design of Measuring

Claw-pole Generator Torque

WUSaibiao，SHIXiaobao

(Anhui Wannan Electric Machine Co.,Ltd., Jingxian 242500, China)

Abstract：The methods that slotting and side shearing on the claw pole structure, respectively, according to the theoretical analysis were proposed. For verifying the effectiveness of the methods, an experimental test system of measuring claw-pole generator torque was presented, and the test system was a good simulation of the generator working environment. Since the limitation of sampling frequency of the sensor, the test motor operated at low-speed state. Finally, the torque measurement data were analyzed aimed at the claw-pole generator with slotting and side shearing claw pole structures. It showed that the exciting force wave, torque ripple was significantly reduced, respectively. The theory had been well verified.

Key words： claw-pole generator; torque; test system

0引言

爪極發(fā)電機(jī)制造簡(jiǎn)單、成本低，廣泛應(yīng)用于汽車供電。隨著現(xiàn)代汽車中電力負(fù)載的日益增長(zhǎng)，對(duì)汽車電氣系統(tǒng)的需求也相應(yīng)增加。當(dāng)汽車蓄電池電量不足或者開起汽車空調(diào)等大功率電器時(shí)，爪極發(fā)電機(jī)開始發(fā)電運(yùn)行。作為一種機(jī)電設(shè)備，它也是汽車的一個(gè)主要振動(dòng)、噪聲源，特別是低速、怠速狀態(tài)。近年來隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)航、音響等電器系統(tǒng)逐漸成為汽車標(biāo)準(zhǔn)配置，要求降低汽車振動(dòng)、噪聲值，提高駕駛內(nèi)倉舒適度。研究爪極發(fā)電機(jī)振動(dòng)、噪聲，對(duì)促進(jìn)汽車工業(yè)的發(fā)展有著重要價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

爪極發(fā)電機(jī)的一個(gè)共同缺點(diǎn)是由磁鋼與爪極之間的吸引力引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。它可定義為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣隙幾何形狀與尺寸或電機(jī)主磁路磁導(dǎo)的改變而引起的隨轉(zhuǎn)子角呈周期性變化的無效轉(zhuǎn)矩。脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生有害的影響,例如引起轉(zhuǎn)速振蕩、轉(zhuǎn)子定位誤差、振動(dòng)和噪聲等。因此，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確計(jì)算是電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的很關(guān)鍵的內(nèi)容之一。許多學(xué)者已在普通永磁電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算與抑制方面做了大量的工作[3-7]。王秀和及其團(tuán)隊(duì)對(duì)永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩也進(jìn)行了詳盡的描述[8-10]，而齒槽轉(zhuǎn)矩在永磁電機(jī)中是脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的最主要成分。目前國內(nèi)外各大科研機(jī)構(gòu)在電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩方面有很多研究成果。相關(guān)研究表明，在理想運(yùn)行條件下，不考慮電樞反應(yīng)與磁滯飽和，爪極電機(jī)定子電流變化與齒槽轉(zhuǎn)矩變化相互獨(dú)立，爪極發(fā)電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩近似等于其空載狀態(tài)下的齒槽轉(zhuǎn)矩[11]，故可以通過類比永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩研究其脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

爪極電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況與普通同步發(fā)電機(jī)不同。由于其工作環(huán)境不同，振動(dòng)、噪聲的產(chǎn)生機(jī)理也有特殊性。通常情況下，爪極發(fā)電機(jī)通過浮動(dòng)支架安裝于汽車主梁上，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)下變速運(yùn)行。當(dāng)爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率與定子及支架固有頻率接近時(shí)產(chǎn)生共振，其振動(dòng)、噪聲就會(huì)被放大，影響汽車的舒適性。由于工況特殊，普通電機(jī)試驗(yàn)設(shè)備無法檢查出爪極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)數(shù)據(jù)，所以設(shè)計(jì)一套合理的試驗(yàn)系統(tǒng)就成為研究爪極電機(jī)振動(dòng)、噪聲的關(guān)鍵。

圖1　爪極電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于運(yùn)行工況特殊，爪極發(fā)電機(jī)振動(dòng)、噪聲涉及的因素很多，單從產(chǎn)生的機(jī)理來看，主要是電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與定子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)造成的。爪極發(fā)電機(jī)一般安裝于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)倉內(nèi)，其表面輻射的噪音量很小，振動(dòng)與噪聲主要通過浮動(dòng)安裝支架傳導(dǎo)。所以在研究過程中需要模擬爪極電機(jī)實(shí)際的安裝條件，檢測(cè)出爪極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)曲線。

1理論分析

汽車爪極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常為梯形爪極。為簡(jiǎn)化計(jì)算，理論分析時(shí)通常將梯形爪極等效為等寬爪極，如圖2所示。

圖3　爪極與定子齒的相對(duì)位置

此時(shí)空載狀態(tài)下的爪極發(fā)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩類似于表面式永磁電機(jī)，如圖3所示，規(guī)定α為某一指定齒的中心線與某一指定的爪極中心線之間的夾角，也就是定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置角，θ=0位置設(shè)定在該磁極的中心線上。

電機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量近似為電機(jī)氣隙中存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量，即

(1)

磁場(chǎng)能量W取決于電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)子線圈電流及定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置。氣隙磁密沿電樞表面的分布可近似表示為

(2)

式中：Br(θ)——爪極磁密；

δ(θ,α)——有效氣隙長(zhǎng)度；

hm(θ)——爪極徑向長(zhǎng)度沿圓周方向的分布。

由式(1)、式(2)可得

(3)

式中：p——極對(duì)數(shù)；

αp——爪極電機(jī)的極弧系數(shù)；

z——定子槽數(shù)。

基于上述，爪極電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為

(4)

由式(4)可知，電機(jī)的極弧系數(shù)影響著齒槽轉(zhuǎn)矩。已知電機(jī)爪極上切邊、開槽均改變了電機(jī)的極弧系數(shù)，所以其齒槽轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，相應(yīng)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩也發(fā)生了改變。本文針對(duì)這兩種狀況，設(shè)計(jì)了測(cè)量脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)設(shè)備。這對(duì)于驗(yàn)證理論分析具有重要意義。

2試驗(yàn)平臺(tái)搭建

試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。爪極電機(jī)在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下低速空載運(yùn)行并保持運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定勻速。通過轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)試出爪極發(fā)電機(jī)的時(shí)間-轉(zhuǎn)矩曲線，然后對(duì)各條曲線進(jìn)行分析研究，最終得出爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的特性。同時(shí)采用噪聲、振動(dòng)傳感器測(cè)試運(yùn)行過程中的噪聲、振動(dòng)頻譜，將其結(jié)果與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4　試驗(yàn)平臺(tái)方案簡(jiǎn)圖

2.1驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)主要考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制。以定子36槽、轉(zhuǎn)子6對(duì)極爪極發(fā)電機(jī)為例，其脈動(dòng)角度為30°，則旋轉(zhuǎn)一周脈動(dòng)12次。高精度的傳感器響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.5ms，即每秒采集數(shù)據(jù)500次。假設(shè)爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為5r/min，則每一脈動(dòng)周期采集數(shù)據(jù)次數(shù)500/(12×5)=8.3。

為了得到清晰的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)曲線，試驗(yàn)要求每一脈動(dòng)周期采集數(shù)據(jù)≥5個(gè)點(diǎn)。因此選用了調(diào)速性能優(yōu)越的直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，同時(shí)設(shè)計(jì)了降速比為4∶1的皮帶輪進(jìn)行傳動(dòng)。當(dāng)直流電機(jī)在低速段12～24r/min時(shí)，發(fā)電機(jī)端的轉(zhuǎn)速則穩(wěn)定在3～6r/min。通過理論分析計(jì)算可以得出，爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值小、頻率高。為了減少原動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用三角帶傳動(dòng)。這也很好地模擬了爪極發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)實(shí)際工作環(huán)境。試驗(yàn)平臺(tái)的底板上設(shè)計(jì)了調(diào)整塊，可以方便地調(diào)整三角帶預(yù)緊力。

試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。理論基礎(chǔ): 原動(dòng)機(jī)的存儲(chǔ)動(dòng)能=各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)的存儲(chǔ)動(dòng)能之和，忽略聯(lián)接軸的影響，得到如下關(guān)系:

(5)

其中，8為直流電動(dòng)機(jī)，5為飛輪，2為汽車發(fā)電機(jī)。

由于：

GD2=4gJ

(6)

Ω=2πn/60

(7)

可得

(8)

其中：

n5=n2=n

(9)

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

G8D82=0.294N·m2

則飛輪慣量為

(10)

汽車發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按測(cè)量計(jì)算值為準(zhǔn)?？紤]到飛輪體積結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸可承受的徑向力，將飛輪放在高速端。計(jì)算中忽略了聯(lián)軸器及傳感器的慣量，所以將飛輪設(shè)計(jì)為可調(diào)慣量的結(jié)構(gòu)，以便試驗(yàn)過程中不斷調(diào)整來達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定的效果。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與儀表選取

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了后續(xù)試驗(yàn)的需求，整體系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)為動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、傳感器部分、被試機(jī)部分。各個(gè)部分都在試驗(yàn)平臺(tái)上留出了安全區(qū)域。各個(gè)部分采用壓板固定并設(shè)計(jì)了軸向調(diào)節(jié)軌道以適應(yīng)各個(gè)模塊的調(diào)換，徑向采用頂絲調(diào)節(jié)固定。

試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖5所示，被試電機(jī)采用支架安裝，支架可以在平臺(tái)上任意調(diào)整位置。安裝支架設(shè)計(jì)為多種形式，以此來模擬爪極電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙中的安裝工況。

圖5　試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

相關(guān)儀器的選配型號(hào)如下。

(1) 爪極發(fā)電機(jī): 型號(hào)為1.1kW，14V，80A,6000r/min；額定轉(zhuǎn)矩為1.75N·m；空載轉(zhuǎn)矩約0.26N·m；脈動(dòng)峰值估算為1.5N·m；配14V直流勵(lì)磁電源、聯(lián)軸器、皮帶輪。

(2) 示波器: 恒河DL850多功能示波器。

(3) 原動(dòng)機(jī): 型號(hào)為Z4-112/2-1，2.2kW，440V，965r/min；配直流調(diào)速控制柜、皮帶輪。

(4) 轉(zhuǎn)速儀: 紅外線手持式轉(zhuǎn)速儀。

(5) 測(cè)振儀: 手持式振動(dòng)頻率測(cè)振儀。

(6) 噪聲儀: 手持式測(cè)噪聲儀。

3試驗(yàn)項(xiàng)目與試驗(yàn)效果

3.1基于輔助槽的汽車爪極發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)削弱方法研究

由于汽車爪極發(fā)電機(jī)定子沖片外徑小，定子齒槽很難進(jìn)行加工處理，所以本次試驗(yàn)通過改變爪極發(fā)電機(jī)的磁極參數(shù)來削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而削弱其電磁振動(dòng)。即通過在汽車發(fā)電機(jī)爪極表面開輔助槽的辦法來削弱電機(jī)電磁振動(dòng)。如圖6所示，槽長(zhǎng)度l0與爪極上表面長(zhǎng)度相等，槽寬b0為爪極極尖寬度b的1/5，槽深度h0為槽寬度的1/2。

在分析汽車發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)中，低階激振力波對(duì)電機(jī)的電磁振動(dòng)影響尤為重要。圖7為爪極電機(jī)開槽與不開槽時(shí)二階激振力波試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，其中f為基波頻率。

圖6　在爪極結(jié)構(gòu)上開槽的尺寸圖

圖7　二階激振力波試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2轉(zhuǎn)子爪極切邊削弱汽車爪極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的試驗(yàn)研究

此次試驗(yàn)還設(shè)置了爪極切邊對(duì)電磁振動(dòng)影響的對(duì)比試驗(yàn)。在切邊處理中，通過確定切邊寬度和角度來確定切邊尺寸。如圖8、圖9所示，對(duì)每個(gè)爪極結(jié)構(gòu)進(jìn)行切邊處理。

圖8　爪極切邊示意圖

圖9　爪極切邊實(shí)物圖

根據(jù)仿真分析切邊處理的數(shù)據(jù)，對(duì)爪極發(fā)電機(jī)實(shí)物轉(zhuǎn)子進(jìn)行切邊處理，然后在所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。通過調(diào)速使發(fā)電機(jī)低速空載運(yùn)行，并保持穩(wěn)定勻速狀態(tài)。在同轉(zhuǎn)速且勵(lì)磁電流相同的情況下對(duì)切邊處理與未切邊處理的爪極發(fā)電機(jī)分別進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)出時(shí)間-轉(zhuǎn)矩曲線如圖10所示，通過對(duì)比曲線來分析驗(yàn)證磁極參數(shù)優(yōu)化對(duì)爪極電機(jī)電磁振動(dòng)的影響。可以看出，相對(duì)于一般爪極電機(jī)，爪極切邊后其脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩明顯減小，與理論分析結(jié)果一致。

圖10　轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波形對(duì)比圖

4結(jié)語

根據(jù)汽車爪極發(fā)電機(jī)機(jī)艙工作環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了測(cè)量爪極發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)系統(tǒng)。由于傳感器采樣頻率的限制，為了獲得較好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將電機(jī)工作設(shè)置在低速運(yùn)行狀態(tài)。通過該試驗(yàn)系統(tǒng)，分別獲得爪極結(jié)構(gòu)開槽、切邊處理后時(shí)間-轉(zhuǎn)矩曲線?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)分析，可知開槽后的爪極電機(jī)2階激振力明顯減小，切邊后的爪極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小，很好地驗(yàn)證了理論分析結(jié)果，也很好地顯示出該試驗(yàn)系統(tǒng)的工程價(jià)值。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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