基于Ansoft汽車爪極發(fā)電機(jī)電磁分析與設(shè)計(jì)

，

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116)

1 前言

爪極發(fā)電機(jī)體積小，成本低，在寬速范圍內(nèi)能有效發(fā)電，廣泛用于汽車行業(yè)。為了滿足運(yùn)行及充電需求，爪極發(fā)電機(jī)定子設(shè)計(jì)成低電壓大電流繞組，電樞反應(yīng)明顯，若磁路設(shè)計(jì)不合理，將造成高次諧波偏大，嚴(yán)重影響爪極發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行性能[1-3]。因此，分析研究其各工況運(yùn)行磁場分布顯得尤其重要。

爪極電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使電機(jī)磁場呈三維分布，利用Ansoft軟件建立爪極電機(jī)三維模型并進(jìn)行有限元分析計(jì)算,為爪極電機(jī)設(shè)計(jì)提供選擇參數(shù)依據(jù)[4-8]。文中利用傅里葉分解計(jì)算不同工況下氣隙磁場和輸出電壓各次諧波分量大小，得知隨著電樞電流增大，電樞反應(yīng)使氣隙磁場與輸出電壓中高次諧波分量增加，發(fā)電機(jī)電能質(zhì)量變差。在后處理中，應(yīng)用Maxwell場積分器計(jì)算主磁路磁勢壓降和磁密分布，進(jìn)一步分析電機(jī)磁場分布情況，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

本文就28V，2.2kW，8對極爪極發(fā)電機(jī)以RMxprt對其進(jìn)行建模分析，在Maxwell 3D中生成并調(diào)整三維模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。用Simplorer搭建外部整流電路與RMxprt電機(jī)模型聯(lián)合分析計(jì)算，省時(shí)并直觀地得到電機(jī)各工況運(yùn)行時(shí)直流輸出負(fù)載特性i=f(n)。Maxwell 3D計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果一致，驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)模型及有限元分析的正確性。

2 爪極電機(jī)運(yùn)行機(jī)理

爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意及主磁路如圖1所示。勵(lì)磁繞組通入直流電流產(chǎn)生磁極磁場，外力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，磁極磁場隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割定子三相繞組感應(yīng)產(chǎn)生三相交流電。負(fù)載時(shí)，電樞電流產(chǎn)生電樞磁場，電樞磁場對磁極磁場作用，產(chǎn)生電樞反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能量傳遞，氣隙磁場畸變。

圖1 爪極發(fā)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及主磁路

汽車爪極電機(jī)整流電路如圖2所示，采用三相橋式全波整流，理想狀態(tài)下整流后的直流電壓為1.35倍電機(jī)線電壓。發(fā)電機(jī)怠速時(shí)，蓄電池提供直流勵(lì)磁。隨轉(zhuǎn)速增加，直至電機(jī)整流端電壓大于蓄電池電壓，勵(lì)磁方式由他勵(lì)變?yōu)樽詣?lì)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁由電機(jī)定子發(fā)電整流后供給，通過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小使系統(tǒng)輸出直流電壓穩(wěn)定在28V左右。

圖2 爪極電機(jī)整流電路

3 爪極電機(jī)建模與磁路分析

將電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入到RMxprt對爪極發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)建模，在Maxwell 3D中生成三維模型并根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 爪極電機(jī)主要參數(shù)

爪極發(fā)電機(jī)磁場分布復(fù)雜使得磁路計(jì)算誤差大，Ansoft有限元軟件計(jì)算分析解決了這一問題。三維模型中建立輔助線示意如圖3所示，在三維模型內(nèi)部沿閉合磁路建立n段輔助線，后處理中利用場積分器沿i段輔助線方向?qū)Υ艌鰪?qiáng)度積分得到主磁路上此段磁壓降Fi：

(1)

根據(jù)安培環(huán)路定律，閉合磁路各段磁壓降總和F1+F2+…+Fn應(yīng)與所加勵(lì)磁磁勢Wfif相等：

Wfif=F1+F2+…+Fn

(2)

(3)

圖3 三維模型及輔助線示意

空載6000r/min電機(jī)發(fā)出28V直流電壓時(shí)，由Ansoft場積分器計(jì)算得各段磁路長度以及對應(yīng)磁壓降如表2所示。

表2 各段長度以及磁壓降

由表2得到沿輔助線上閉合磁路磁壓降總和F1+F2+…+Fn為84.03A與勵(lì)磁繞組外加磁勢Wfif84A基本相等，符合安培環(huán)路定律。在后處理中可以得到此工況各段輔助線上主磁路磁密分布如圖4所示。借助有限元軟件的計(jì)算分析，建立輔助線模型可以更直觀精確地進(jìn)行磁路計(jì)算，該分析結(jié)果為優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)提供參考。

4 爪極電機(jī)電樞反應(yīng)研究

爪極電機(jī)磁場呈三維分布，空載時(shí)沿Z軸不同高度三條氣隙輔助線L1、L2、L3位置如圖5(a)所示。隨著Z軸坐標(biāo)變化，N極與S極的極弧系數(shù)大小變化相反，空載氣隙磁場也隨之變化，對應(yīng)三條氣隙輔助線上磁密分布如圖5(b)所示。

圖4 空載6000r/min時(shí)電機(jī)主磁路磁密分布

汽車爪極電機(jī)具有低電壓大電流的特點(diǎn)，這使得電樞反應(yīng)明顯，電機(jī)磁場分布受到嚴(yán)重影響?？蛰d6000r/min，負(fù)載2500r/min以及負(fù)載6000r/min三種工況下,Z=0處輔助線上氣隙磁密分布如圖6所示。

圖5 空載不同高度氣隙磁密分布比較

圖6 不同工況氣隙磁密分布

由圖6可見，不同工況下電樞反應(yīng)使得氣隙磁密波形發(fā)生不同程度畸變，利用傅里葉分解計(jì)算得到各工況氣隙磁密對應(yīng)各次諧波分量大小如圖7所示，可見：高次諧波增大是氣隙磁密發(fā)生畸變主要原因。對應(yīng)各工況氣隙磁場分布云圖如圖8所示，由圖8可見：三維空間上，電樞反應(yīng)使氣隙磁場靠近爪極兩側(cè)不對稱分布。綜上可知：不同工況下，隨著電樞電流增大，電樞反應(yīng)對氣隙磁場作用越明顯，氣隙磁場高次諧波含量增大。

圖7 不同工況氣隙磁密諧波分解

電樞反應(yīng)使氣隙磁場發(fā)生畸變，因此對電機(jī)發(fā)出相電壓大小和質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。空載6000r/min、負(fù)載2500r/min、負(fù)載6000r/min三種工況下，定子繞組相電勢波形及對應(yīng)工況下各次諧波大小如圖9～11所示。比較圖9(b)圖11(b)可見：相電勢基波幅值相同，圖11(b)中由于電樞反應(yīng)影響，其各次諧波明顯增大。比較圖10、圖11可見，圖11轉(zhuǎn)速高，輸出負(fù)載大，電樞電流大，電樞反應(yīng)增強(qiáng)，高次諧波占比增大，電壓雜波多。綜上可知：輸出負(fù)載電流增大，電樞反應(yīng)越大，電機(jī)所發(fā)出電壓中的高次諧波越明顯，電樞反應(yīng)是電能質(zhì)量變差的主要根源。

圖8 不同工況氣隙磁場分布

圖9 空載6000r/min相電勢及各次諧波大小

圖10 負(fù)載2500r/min相電勢及各次諧波大小

圖11 負(fù)載6000r/min相電勢及各次諧波大小

5 爪極電機(jī)外電路及仿真研究

Simplorer是一款多域機(jī)電系統(tǒng)仿真分析軟件，本文采用RMxprt電機(jī)模型與Simplorer軟件聯(lián)合仿真計(jì)算，對外電路特性進(jìn)行分析研究。這樣做雖然無法得到電機(jī)內(nèi)部電磁場，但在研究輸出特性上節(jié)省了大量仿真時(shí)間。將其計(jì)算結(jié)果與帶有外電路的爪極電機(jī)三維模型在Maxwell 3D中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了兩種仿真計(jì)算結(jié)果的一致性。RMxprt模型在Simplorer中搭建的聯(lián)合仿真線路如圖12所示。

圖12 RMxprt與Simplorer聯(lián)合仿真線路

以計(jì)算負(fù)載6000r/min、時(shí)長10ms為例，RMxprt與Simplorer聯(lián)合仿真計(jì)算用時(shí)10s左右，而一對極三維模型在Maxwell 3D有限元計(jì)算用時(shí)4h45min左右，聯(lián)合仿真計(jì)算外電路特性有省時(shí)的優(yōu)越性。

負(fù)載6000r/min工況下，RMxprt與Simplorer聯(lián)合仿真計(jì)算及Maxwell 3D有限元計(jì)算電機(jī)線電壓波形分別如圖13所示。兩種分析整流后輸出的直流電壓及電流分別如圖14所示。

圖13 兩種仿真計(jì)算的線電壓對比

兩種計(jì)算穩(wěn)態(tài)后的結(jié)果對比如表3所示。

圖14 兩種仿真計(jì)算輸出直流電壓及電流對比

聯(lián)合仿真10s24.15V28.08V80.83A有限元仿真4h45min23.86V27.42V78.92A

可以看出：Maxwell 3D有限元計(jì)算模擬了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁電流階躍突加的情況，所以啟動(dòng)時(shí)輸出電壓與電流發(fā)生波動(dòng)。分析時(shí)取穩(wěn)態(tài)后的值進(jìn)行對比，兩種仿真結(jié)果基本相同，而聯(lián)合仿真調(diào)整電路參數(shù)方便，研究輸出特性省時(shí)，適合爪極電機(jī)各個(gè)工況輸出特性的研究。

6 爪極電機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

根據(jù)以上設(shè)計(jì)分析，試制了一臺(tái)28V爪極發(fā)電機(jī)并進(jìn)行輸出特性測試。測試過程始終保持負(fù)載輸出電壓為28V，樣機(jī)負(fù)載特性實(shí)測結(jié)果及Ansoft計(jì)算如表4所示，對應(yīng)輸出特性如圖15所示。

表4 實(shí)測與有限元計(jì)算輸出電流對比及誤差

圖15 試制樣機(jī)轉(zhuǎn)子

圖16 實(shí)測與有限元計(jì)算輸出特性

可以看出樣機(jī)測試與有限元分析計(jì)算得到的負(fù)載輸出特性基本一致，輸出電流最大誤差為3.7%，Maxwell 3D計(jì)算與實(shí)測結(jié)果一致，驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)模型及有限元分析的正確性。

7 結(jié)論

本文對一臺(tái)2.2kW，8對極汽車爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁分析與設(shè)計(jì)研究，應(yīng)用Ansoft軟件對磁路進(jìn)行分析計(jì)算并通過傅里葉分解研究電樞反應(yīng)對氣隙磁場及電機(jī)相電勢的影響，RMxprt與Simplorer聯(lián)合仿真計(jì)算在對輸出特性的研究上更加省時(shí)。樣機(jī)測試結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)輸出特性一致，驗(yàn)證了有限元分析的正確性。本文中的分析方法與結(jié)論為進(jìn)一步優(yōu)化爪極電機(jī)參數(shù)、負(fù)載性能以及混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)提供一定理論基礎(chǔ)和實(shí)用參考。

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