汽車用U形轉(zhuǎn)子定子勵(lì)磁發(fā)電機(jī)電磁特性分析

陶學(xué)恒，史立偉，劉楷文，李林濤，荊建寧

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

近年來(lái)汽車電氣化水平的提高對(duì)汽車發(fā)電機(jī)的性能要求越來(lái)越高，電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)(double salient electromagnetic generator，DSEG)作為一種新型無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)壓容易等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于航空航天、汽車和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，在汽車電源系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。傳統(tǒng)DSEG為雙凸極結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子間的磁路長(zhǎng)，導(dǎo)致磁鏈弱，電機(jī)的輸出能力低[4]。為獲得短磁路、減輕自身質(zhì)量并提高電機(jī)可靠性，對(duì)傳統(tǒng)DSEG的轉(zhuǎn)子進(jìn)行模塊化研究具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)分塊轉(zhuǎn)子電機(jī)做了大量研究，文獻(xiàn)[5-6]提出了一種分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩密度與同尺寸的SRM相近；文獻(xiàn)[7-8]提出了分塊轉(zhuǎn)子數(shù)高于定子齒數(shù)的分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)(switched reluctance machine，SRM)，研究表明該電機(jī)具有更高的輸出轉(zhuǎn)矩能力和更低的鐵損；文獻(xiàn)[9]針對(duì)分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁通切換電機(jī)提出了一種用于分析電機(jī)靜態(tài)特性的非線性變網(wǎng)絡(luò)磁路建模方法，該方法考慮了轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)率模型和磁飽和問(wèn)題；文獻(xiàn)[10-11]將分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用于SRM，推導(dǎo)了分塊SRM定子和轉(zhuǎn)子極數(shù)、尺寸和繞組匝數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)律；文獻(xiàn)[12-13]基于傳統(tǒng)12/8 SRM設(shè)計(jì)了一種帶有輔助齒的分塊轉(zhuǎn)子SRM，輔助齒配合分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了短磁路的效果并減小了電機(jī)鐵心損耗，提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和效率；文獻(xiàn)[14-15]研究表明奇數(shù)極分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)無(wú)偶數(shù)次諧波，而偶數(shù)極分塊轉(zhuǎn)子電機(jī)的偶數(shù)次諧波無(wú)法抵消，故其磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)存在正負(fù)半周期波形不對(duì)稱的問(wèn)題；文獻(xiàn)[16]針對(duì)偶數(shù)極分塊轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)存在偶數(shù)次諧波問(wèn)題，提出了在分塊轉(zhuǎn)子內(nèi)增加氣隙磁障的拓?fù)?，削弱了感?yīng)電動(dòng)勢(shì)的偶數(shù)次諧波。

分析可得，目前分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的應(yīng)用主要集中在磁通切換電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)上，且轉(zhuǎn)子大都采用扇形分塊的方式，在電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)上的應(yīng)用較少。本文在此基礎(chǔ)上，將分塊U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用于電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，提出一種勵(lì)磁方式為每極勵(lì)磁的短磁路的U形轉(zhuǎn)子定子勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(U-shaped rotor stator excitation generator，UR-SEG)，詳細(xì)介紹其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理，研究UR-SEG的電磁特性，并對(duì)其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的諧波含量進(jìn)行分析。

1 UR-SEG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)DSEG采用整體式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。該電機(jī)的磁路較長(zhǎng)，損耗較大，相同的輸出功率的條件下，電機(jī)的本體質(zhì)量較大。另外，傳統(tǒng)DSEG各相間影響較大，電機(jī)容錯(cuò)性能較低，電機(jī)可靠性差。本文以UR-SEG為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。UR-SEG的定子采用傳統(tǒng)雙凸極電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)，定子上有12個(gè)相同的定子極；轉(zhuǎn)子由8個(gè)U形轉(zhuǎn)子塊和一個(gè)鋁制的轉(zhuǎn)子架組成，每個(gè)U形轉(zhuǎn)子塊通過(guò)燕尾槽固定在轉(zhuǎn)子架上。模塊化U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不僅減小了轉(zhuǎn)子部分的鐵心質(zhì)量，同時(shí)縮短了電機(jī)磁路。電機(jī)采用集中非疊繞組，電機(jī)的勵(lì)磁繞組沿周向均勻分布，每個(gè)定子齒上部均布置一個(gè)勵(lì)磁繞組線圈；電機(jī)電樞繞組布置在每個(gè)定子齒的下部，周向間隔90°的4個(gè)電樞線圈串聯(lián)組成一相，三相繞組線圈按ABCABC的順序周向排序，每相電樞繞組共包括4個(gè)繞組線圈，如圖1(c)所示。UR-SEG的基本參數(shù)見表1。

(a)傳統(tǒng)DSEG結(jié)構(gòu)

表1 UR-SEG的基本參數(shù)

本文同時(shí)建立了同尺寸的傳統(tǒng)DSEG的三維模型，通過(guò)有限元軟件設(shè)定電機(jī)各部分的材料屬性，進(jìn)而測(cè)量出電機(jī)各部分的質(zhì)量。表2為UR-SEG與傳統(tǒng)DSEG各部分質(zhì)量的對(duì)比，UR-SEG的U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)DSEG整體轉(zhuǎn)子質(zhì)量減小了14.23%。

表2 傳統(tǒng)DSEG與UR-SEG各部分質(zhì)量對(duì)比

2 UR-SEG的工作原理

UR-SEG與開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理類似，都是按照磁阻最小原理運(yùn)行。當(dāng)直流電源給UR-SEG的勵(lì)磁繞組通入直流電時(shí)，勵(lì)磁繞組產(chǎn)生主磁場(chǎng)，通過(guò)定子極、氣隙、U形轉(zhuǎn)子形成閉合回路，電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子位置角的變化而變化，相磁鏈將發(fā)生周期性變化，進(jìn)而在各相電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)外電路輸出端接入負(fù)載后，在原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用下，電機(jī)磁場(chǎng)能量發(fā)生變化，并不斷地向負(fù)載輸送電能。

圖2為理想條件下UR-SEG工作時(shí)三相電感變化曲線，圖中LAf、LBf和LCf分別為三相電樞繞組與勵(lì)磁繞組間的互感。在轉(zhuǎn)子極滑入和滑出定子極的過(guò)程中，一個(gè)周期內(nèi)的電感變化趨勢(shì)可平均分成3段。根據(jù)磁場(chǎng)儲(chǔ)能原理，忽略電機(jī)漏磁、損耗等因素，電機(jī)相繞組中產(chǎn)生的相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為[4]：

圖2 UR-SEG理想電感曲線

(1)

(2)

式中：if表示勵(lì)磁電流；iA表示A相繞組電流；θ為轉(zhuǎn)子位置角；ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度。由式(1)和式(2)可知，通過(guò)改變勵(lì)磁電流可以直接調(diào)節(jié)UR-SEG的輸出。

3 UR-SEG電磁特性分析

3.1 空載發(fā)電仿真分析

根據(jù)表1 UR-SEG的基本參數(shù)建立電機(jī)有限元仿真模型，設(shè)定勵(lì)磁電流為8 A，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載發(fā)電仿真。圖3為UR-SEG在不同轉(zhuǎn)子位置的磁力線等勢(shì)圖與磁密場(chǎng)圖。圖3(a)為UR-SEG的U形轉(zhuǎn)子與定子齒對(duì)齊位置時(shí)的場(chǎng)圖，以B1齒主磁路為例，B1齒上的勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通經(jīng)過(guò)氣隙、U形轉(zhuǎn)子、C1定子齒后，與C1定子齒上的勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通疊加，共同經(jīng)過(guò)定子軛部形成磁路L1。另外，還有極少部分漏磁通經(jīng)相鄰的U形轉(zhuǎn)子、較長(zhǎng)的氣隙、A2齒以及定子軛部構(gòu)成閉合回路L2。

(a)對(duì)齊位置

圖3(b)為UR-SEG的定子極與U形轉(zhuǎn)子塊處于非對(duì)齊位置時(shí)的場(chǎng)圖，此時(shí)主磁路由兩條并聯(lián)的磁路組成。以A2齒所在主磁路為例，C1齒上的勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通經(jīng)氣隙、U2轉(zhuǎn)子塊進(jìn)入A2齒，B2齒上的磁通經(jīng)U3轉(zhuǎn)子塊到達(dá)A2齒上，兩路磁通均經(jīng)過(guò)A2齒和定子軛部形成閉合回路。其中，A2齒作為主磁路的干路，A2齒部位的磁力線比其他部位要密集一些，磁感應(yīng)強(qiáng)度相差約0.3 T。由于電機(jī)定子齒上部布置有勵(lì)磁繞組，故同一定子齒的上半段磁感應(yīng)強(qiáng)度要較下半段大；定子齒以及U形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)均布置有極靴，在定轉(zhuǎn)子極處于半對(duì)齊位置時(shí)，極靴部位磁密較大。

通過(guò)對(duì)相同尺寸的傳統(tǒng)DSEG仿真，得到傳統(tǒng)DESG在不同轉(zhuǎn)子位置的磁力線圖與磁密場(chǎng)圖，如圖4所示。以A 相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子極軸線重合時(shí)為例，主磁通從A1 齒經(jīng)過(guò)氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛、A2 齒、定子軛形成主磁通路徑L1。與圖3(a)UR-SEG定子齒與U形轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置時(shí)的磁路相比，UR-SEG的磁路明顯縮短。

圖4 傳統(tǒng)DSEG磁力線及磁密場(chǎng)圖

圖5(a)為相磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置變化和勵(lì)磁電流的波形曲線。在一個(gè)電周期內(nèi)，相磁鏈上升區(qū)和下降區(qū)的斜率相等，整個(gè)磁鏈波形近似于一個(gè)倒等腰三角形波。相磁鏈幅值隨著勵(lì)磁電流的增加而增加，當(dāng)勵(lì)磁電流增加至9 A時(shí)，磁鏈幅值增加變慢，此時(shí)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)接近飽和。因此，磁鏈與轉(zhuǎn)子位置角和勵(lì)磁電流呈非線性關(guān)系，在電機(jī)磁場(chǎng)未飽和時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，并保持輸出電壓穩(wěn)定。

圖5(b)為UR-SEG空載特性曲線，當(dāng)勵(lì)磁電流小于13 A時(shí)，電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)未飽和，輸出電壓隨勵(lì)磁電流的增加而線性增大；當(dāng)勵(lì)磁電流大于13 A時(shí)，電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)已深度飽和，磁通變化率變小使得電機(jī)輸出電壓略有減小。

(a)不同勵(lì)磁電流下磁鏈波形

圖6為勵(lì)磁電流為8 A時(shí)傳統(tǒng)DSEG和UR-SEG的各相電動(dòng)勢(shì)波形。圖6(a)為傳統(tǒng)DSEG電動(dòng)勢(shì)波形，各相電勢(shì)波形為斜梯狀，且波形峰值左右兩側(cè)不對(duì)稱。圖6(b)為UR-SEG電動(dòng)勢(shì)波形，其波形在峰值處較平緩且左右對(duì)稱，與前者的斜梯狀波形不同，表明UR-SEG的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形更近似正弦波，具有更好的發(fā)電效果。

(a)傳統(tǒng)DSEG感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，諧波電動(dòng)勢(shì)會(huì)使電動(dòng)勢(shì)波形變壞，影響發(fā)電質(zhì)量；還會(huì)使定子繞組、磁通回路以及鐵心中的附加損耗增加，發(fā)電效率降低，電機(jī)溫升增高。電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，使得其內(nèi)部磁場(chǎng)復(fù)雜且非線性，故其產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中不可避免地存在諧波，諧波含量過(guò)高會(huì)嚴(yán)重影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形的正弦度。為了對(duì)比兩種電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)諧波分布，將勵(lì)磁電流為8 A時(shí)兩種電機(jī)空載感應(yīng)電勢(shì)波形進(jìn)行了傅立葉分解，得到兩種波形的各次諧波值，如圖7所示。UR-SEG的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)基波幅值為49.97 V，傳統(tǒng)DSEG的為53.54 V，UR-SEG的基波幅值略低于后者；而UR-SEG的2次、4次、5次諧波分別較傳統(tǒng)DSEG降低4.32、1.15、3.69 V，故UR-SEG的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的諧波含量較少。

圖7 傳統(tǒng)DSEG和UR-SEG空載感應(yīng)電勢(shì)諧波對(duì)比

為準(zhǔn)確比較兩種電機(jī)的空載感應(yīng)電勢(shì)波形正弦度，本文選取了兩種電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的前12次諧波進(jìn)行諧波失真計(jì)算，通過(guò)式(3)可以分別計(jì)算電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總諧波失真(UTHD)、奇次諧波含量(UTHDO)與偶次諧波含量(UTHDE)。

(3)

式中：i為諧波次數(shù)；ui為電動(dòng)勢(shì)第i次諧波值。

根據(jù)式(3)計(jì)算出的兩種電機(jī)電動(dòng)勢(shì)的各諧波含量見表3。其中傳統(tǒng)DSEG的電動(dòng)勢(shì)中奇次諧波含量為9.80%，偶次諧波含量為38.64%，總諧波失真為39.86%；UR-SEG的電動(dòng)勢(shì)奇次諧波含量為5.95%，偶次諧波含量為32.46%，總諧波失真為33.00%。與傳統(tǒng)DESG相比，UR-SEG的奇次諧波含量降低了3.85%，偶次諧波含量降低了6.18%，總諧波失真下降了6.86%。從上述計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，UR-SEG的電動(dòng)勢(shì)正弦度更高，各種諧波含量更低，有效地降低了諧波在發(fā)電系統(tǒng)中的損耗，提高了發(fā)電質(zhì)量。

表3 傳統(tǒng)DSEG和UR-SEG空載感應(yīng)電勢(shì)諧波含量

3.2 負(fù)載發(fā)電仿真分析

圖8為相同尺寸的兩種電機(jī)在勵(lì)磁電流為13 A，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，均接入5 Ω負(fù)載時(shí)各相電動(dòng)勢(shì)波形對(duì)比。圖8(a)為傳統(tǒng)DSEG三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形，受電樞反應(yīng)和換相重疊的影響，各相電動(dòng)勢(shì)波形均發(fā)生很大程度的畸變，波形在正向幅值處出現(xiàn)下凹，在負(fù)向幅值處向下凸出，導(dǎo)致波形正向幅值小于負(fù)向幅值，波形上下也不對(duì)稱，影響了波形的正弦度。圖8(b)為UR-SEG負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形，與空載感應(yīng)電勢(shì)圖6(b)相比，負(fù)載時(shí)三相電動(dòng)勢(shì)波形總體上呈正弦狀，波形正負(fù)峰值基本相等，各相相位差為120°。圖中各相電動(dòng)勢(shì)波形在過(guò)零點(diǎn)時(shí)波形波動(dòng)較大是由于該相定子極上的磁通較大，磁通大小會(huì)隨著轉(zhuǎn)子位置的變化發(fā)生輕微的變化，導(dǎo)致該相電樞繞組感應(yīng)出數(shù)值較小的電動(dòng)勢(shì)?？梢钥闯觯琔R-SEG在負(fù)載時(shí)相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形正弦度更高，發(fā)電質(zhì)量更好。

(a)傳統(tǒng)DSEG負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

為了準(zhǔn)確對(duì)比兩種電機(jī)負(fù)載時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的畸變情況，對(duì)兩種電機(jī)負(fù)載工況下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了諧波分析。圖9為UR-SEG與傳統(tǒng)DSEG負(fù)載感應(yīng)電勢(shì)的前12次諧波對(duì)比，其中UR-SEG的基波幅值為42.63 V，而傳統(tǒng)DSEG的基波幅值僅為40.59 V，UR-SEG基波幅值要大于傳統(tǒng)DSEG；另外，UR-SEG的各偶次諧波值均低于傳統(tǒng)DSEG，其中2次諧波降低6.06 V，4次諧波降低1.20 V，6次諧波降低2.86 V。

圖9 UR-SEG與傳統(tǒng)DSEG負(fù)載感應(yīng)電勢(shì)諧波對(duì)比

根據(jù)式(3)計(jì)算得兩種電機(jī)負(fù)載感應(yīng)電勢(shì)的總諧波失真、奇次諧波含量與偶次諧波含量見表4。由于UR-SEG的3次和5次諧波高于傳統(tǒng)DSEG，其奇次諧波含量為47.81%，而傳統(tǒng)DSEG的為40.50%，故其奇次諧波含量較傳統(tǒng)DSEG高7.31%；UR-SEG的為23.24%，傳統(tǒng)DSEG的為40.52%，故前者偶次諧波含量下降17.28%；總諧波失真下降7.28%?？梢钥闯?，UR-SEG的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中偶次諧波的含量極大降低，總諧波含量更少，發(fā)電效率較高，發(fā)電質(zhì)量更好。

表4 傳統(tǒng)DSEG和UR-SEG負(fù)載感應(yīng)電勢(shì)諧波含量

為了準(zhǔn)確對(duì)比兩種電機(jī)負(fù)載時(shí)的發(fā)電效果，對(duì)兩種電機(jī)在勵(lì)磁電流為13 A、轉(zhuǎn)速為3 000 r/min接入5 Ω負(fù)載時(shí)的輸出進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，UR-SEG輸出波形的波動(dòng)要小于傳統(tǒng)DSEG，其中傳統(tǒng)DSEG輸出電壓均值為56.44 V，脈動(dòng)率為54.28%；UR-SEG輸出電壓均值為59.33 V，脈動(dòng)率為42.05%。UR-SEG各相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總諧波失真小，輸出電壓均值較前者增加2.89 V，脈動(dòng)率下降12.23%，故其發(fā)電質(zhì)量要優(yōu)于傳統(tǒng)DSEG。

圖10 UR-SEG與傳統(tǒng)DSEG輸出電壓波形對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出了具有 U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的定子勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)，介紹了發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理，并對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁特性進(jìn)行了分析與驗(yàn)證，得出了以下結(jié)論：

1)與傳統(tǒng)DSEG相比，UR-SEG的分塊U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)縮短了磁路，電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量減小了14.23%。

2)與傳統(tǒng)DSEG相比，三相UR-SEG在空載時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形總諧波畸變率下降6.86%，負(fù)載時(shí)下降7.28%，該電機(jī)電動(dòng)勢(shì)波形正弦度更高，總諧波含量更少，整流電路自身的損耗降低，發(fā)電效率較高，發(fā)電質(zhì)量較好。