新型爪極發(fā)電機(jī)的電磁分析

李衛(wèi)民，馬平平

(遼寧工業(yè)大學(xué)，錦州 121001)

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新型爪極發(fā)電機(jī)的電磁分析

李衛(wèi)民，馬平平

(遼寧工業(yè)大學(xué)，錦州 121001)

針對(duì)爪極式發(fā)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)使得氣隙間漏磁比較嚴(yán)重的現(xiàn)象，提供了一種爪極間安裝有條形永磁體的16爪新型爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。通過逆向工程獲得該發(fā)電機(jī)的三維模型，利用Ansoft軟件中的Maxwell 3D模塊進(jìn)行了空載勵(lì)磁分析，論證了該款發(fā)電機(jī)的優(yōu)異性能，為爪極發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁場(chǎng)分析提供了理論參考。

爪極發(fā)電機(jī)；漏磁；永磁體；Maxwell

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，生活水平的提高，汽車作為主要代步工具，在人們的出行中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。伴隨著人們對(duì)汽車舒適性的更高要求，汽車內(nèi)空調(diào)、電動(dòng)座椅等電器元件的應(yīng)用，使得汽車發(fā)電機(jī)性能的要求也越來越高。爪極發(fā)電機(jī)因其容易制造、成本低而被廣泛的應(yīng)用，但是因?yàn)樽O電機(jī)本身結(jié)構(gòu)的特殊性，使得電機(jī)漏磁較大[1]。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，在發(fā)電機(jī)前后爪極之間鑲嵌呈長(zhǎng)條狀永磁體(簡(jiǎn)稱磁條)，可以大大增加爪極的導(dǎo)磁性能，從而顯著增加發(fā)電機(jī)的輸出功率和效率，使爪極發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能得到顯著改善。

傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，常采用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算和修改電磁參數(shù)，根據(jù)整車的技術(shù)要求對(duì)發(fā)電機(jī)性能進(jìn)行調(diào)整，通過對(duì)手工樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該種方法不僅計(jì)算過程復(fù)雜，而且分析結(jié)果與實(shí)際常有較大偏差[2]。而有限元技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，則很好地解決了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析以及精確分析等計(jì)算問題。有限元技術(shù)的應(yīng)用，使產(chǎn)品無需大量復(fù)雜的試驗(yàn)，通過仿真計(jì)算方法即可驗(yàn)證所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的合理性與可靠性，從而得出最佳產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，減少產(chǎn)品試驗(yàn)以及制造時(shí)所需成本。本文利用有限元法從理論上驗(yàn)證了該款發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性，并對(duì)發(fā)電機(jī)的漏磁做了定量分析，并提出了優(yōu)化改進(jìn)的方法。

1 爪極電機(jī)模型的建立

針對(duì)爪極發(fā)電機(jī)模型的建立主要有以下三種方式[3]：一，根據(jù)發(fā)電機(jī)的實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)，在Ansoft軟件的Rxmprt模塊中可直接生成Maxwell 3D模型；二，通過第三方軟件(CATIA、Pro/E等)進(jìn)行模型的建立然后導(dǎo)入Ansoft中；三，在Rxmprt建立基本的模型后導(dǎo)出，再利用第三方軟件進(jìn)行細(xì)節(jié)的調(diào)整和修改得整體模型。在以上所述方法中，第二種方法因?yàn)閷I(yè)三維繪圖軟件的應(yīng)用，使用較為簡(jiǎn)便。本文所研究發(fā)電機(jī)是一款韓國(guó)進(jìn)口發(fā)電機(jī)，8對(duì)爪極，48槽結(jié)構(gòu)，模型的建立是通過逆向工程來獲取的，逆向所得模型導(dǎo)入Ansoft中如圖1所示。轉(zhuǎn)子部分由8對(duì)爪極、勵(lì)磁繞組、永磁體組成。定子包括三相繞組和鐵心，共有48槽。對(duì)發(fā)電機(jī)完整的有限元分析主要包括需要以下幾個(gè)步驟[4]，如圖2所示。

圖1 爪極發(fā)電機(jī)整體分析模型

圖2 發(fā)電機(jī)電磁分析具體步驟

2 空載磁場(chǎng)的分析

對(duì)于前后爪極之間鑲嵌呈長(zhǎng)條狀永磁體的該款發(fā)電機(jī)，空載時(shí)的主磁通是由電勵(lì)磁磁通以及永磁勵(lì)磁磁通兩部分并聯(lián)組成的。其中由勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生的主磁通閉合路徑如圖3所示，從圖3中可以看出，主磁通的流經(jīng)路線為：爪極N極-氣隙-定子齒-定子軛-定子齒-氣隙-爪極S極-轉(zhuǎn)子磁軛-爪極N極，主磁通流經(jīng)電機(jī)各部件形成了一個(gè)閉合回路[5]。

圖3 勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生的主磁通路徑

另外，由附加的永磁體產(chǎn)生的另一部分主磁通同樣形成一個(gè)閉合回路：永磁體N極-爪極N極-氣隙-定子齒-定子軛-定子齒-氣隙-爪極S極-永磁體S-永磁體N極。在永磁體充磁之前，必須根據(jù)繞組電流方向確定爪極的N/S極，使永磁體的S(N)極與爪極的S(N)極在同一方向，如圖4所示，利用磁性材料同性相斥的原理，將磁感線盡可能地通過氣隙進(jìn)入定子，避免N，S極間形成回路，從而達(dá)到通過加永磁體實(shí)現(xiàn)增加氣隙磁通、減小了爪極之間的漏磁通、提高了發(fā)電機(jī)效率的目的。

圖4 永磁體的充磁方向

永磁體的性能在很大程度上影響電機(jī)的性能，所以永磁體材料的選取很重要，綜合考慮磁性材料的磁性能以及熱穩(wěn)定性等因素，選取了剩磁密度為1.23 T、矯頑力為885 kA/m、型號(hào)為N38UH的釹鐵硼。給勵(lì)磁繞組通以5 A的勵(lì)磁電流，計(jì)算發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)的空載狀態(tài)，得仿真后有無磁條結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)空載磁力線分布圖如圖5所示。

(b) 加磁條后

通過對(duì)圖5的觀察可以發(fā)現(xiàn)，僅通過電勵(lì)磁的方式產(chǎn)生的磁感線，大部分在轉(zhuǎn)子間形成了回路，而在爪極間加入磁條后的發(fā)電機(jī)得到了明顯改善。因?yàn)橛捎来朋w產(chǎn)生的主磁通與勵(lì)磁繞組通電之后產(chǎn)生的主磁通是并聯(lián)關(guān)系，故可以在不增加勵(lì)磁電流的前提下增大了氣隙磁密的輸出，進(jìn)而提高了發(fā)電機(jī)的效率。

圖6 無永磁體與帶有8個(gè)永磁體的對(duì)比

如圖7所示，通過在XY平面氣隙處畫一條圓弧線的方式[6]得空載時(shí)氣隙磁密云圖，然后在Ansoft軟件后處理器得空載有無磁條的氣隙線路徑上磁密變化曲線對(duì)比圖，如圖8所示。

圖7 氣隙磁密云圖

(a) 無磁條

(b) 加磁條后

除上述結(jié)果外，還得出了空載時(shí)，有無長(zhǎng)條永磁體氣隙磁通量對(duì)比曲線圖，如圖9所示。從圖9中可以明顯地看出，利用永磁體使得磁通量得到明顯的提高，漏磁通從 23.7% 減小到 8%。

圖9 磁通量對(duì)比曲線

3 結(jié) 語

本文通過逆向工程獲得了爪極發(fā)電機(jī)的三維模型，利用Ansoft軟件中的Maxwell 3D模塊對(duì)該款發(fā)電機(jī)進(jìn)行了空載勵(lì)磁分析，從理論和分析結(jié)果兩方面論證了在發(fā)電機(jī)前后爪極之間鑲嵌永磁體可以大大增加爪極的導(dǎo)磁性能，達(dá)到提高發(fā)電機(jī)的輸出功率和效率的目的。并為后續(xù)的負(fù)載分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：李衛(wèi)民(1965-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE/CAM/ERP、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。

Electromagnetic Analysis of a New Type of Claw Pole Generator

LI Wei-min，MA Ping-ping

(Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)

For the phenomenon that the special structure of claw pole generator makes the leakage flux of air gap higher, a new type of claw pole generator with permanent bar magnets between claw poles was proposed. 3D model of the generator was obtained through reverse engineering, and the no-load excitation analysis was made through Maxwell 3D module of Ansoft to demonstrate the good performance of the generator. It provides theory reference for the structure design and magnetic field analysis of claw pole generator.

claw pole generator； leakage flux； permanent magnet； Maxwell

孫海濤(1989-)，男，碩士，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器。

2015-08-30

遼寧省科技攻關(guān)項(xiàng)目計(jì)劃(2014106008)

TM35

A

1004-7018(2016)03-0022-03