基于Ansoft的定子雙繞組感應發電機設計分析

魏曙光，馬曉軍，閆之峰，可榮碩

(裝甲兵工程學院，北京 100072)

0 引 言

目前，坦克裝甲車輛一般采用單一28 V低壓直流供電體制，隨著大功率用電裝置的不斷裝備，車輛供電容量需求日趨增大，采用傳統的低壓供電模式會導致供電主回路電纜變得越來越粗，造成車內電纜難以布置;同時，這種供電方式還會增加大功率電機及其功率變換裝置的設計和制造難度。為此，未來裝甲車輛電源將采用28 V/270 V高低壓雙供電體制。目前研究較多的是雙繞組永磁同步機發電系統，但由于無法對永磁機激磁電流進行穩壓控制，并且其不可調節，因此為了實現穩壓輸出，必須對低壓和高壓雙路輸出都額外增加DC/DC變換器。針對上述問題，文獻［1］研究了一種采用PWM－VSI逆變器控制的獨立定子雙繞組(分別為功率繞組和控制繞組)鼠籠型感應發電機，本文基于Ansoft設計一種基于定子雙繞組感應發電機，實現發電系統高低壓(270 V/28 V)雙路輸出。

1 定子雙繞組復合發電系統

雙繞組異步發電機轉子為鼠籠型，定子上有兩套繞組，一套為低壓繞組，接有自勵電容、整流橋，同時直接與蓄電池相連，輸出電壓為24V直流低壓;另一套為高壓繞組，繞組上接有靜止的勵磁變換器，由勵磁變換器提供其所需的有功、無功電流，系統結構如圖1所示。

圖1 雙繞組異步發電系統結構

兩套定子繞組的極數是相同的，所以它們的工作頻率是相同的，但是它們在電氣設備上沒有任何連接，通過磁耦合，從而可有效地減小由于變換器開關動作而引起的高頻諧波對低壓繞組的影響，以此來提高系統的效率和電磁兼容能力。

2 雙繞組感應發電機參數設計方法

由電機學知識可知，電機的電磁過程主要是在氣隙中進行的，也就是說其能量形式的轉換是通過氣隙進行的。所以，主要尺寸的確定也與氣隙有著密切的關系。一般的，對于交流電機，影響其工作性能的主要參數包括:靠近氣隙的電樞直徑D、鐵心有效長度lef和氣隙等3個參數，本文也主要對上述三個參數的確定步驟進行分析。

首先，由電機額定功率PN求取計算電磁功率P'。本文設計的雙穩壓發電機額定功率為3 kW，對于異步電機，有:

式中:m為電樞繞組相數;E1為電樞繞組相電勢;I為電樞繞組相電流。

又輸入功率:

式中:UφN為額定相電壓。

則額定功率:

由此可得:

式中:ηN、cos φN為額定負載時的效率和功率因數，KE為滿載電勢標么值，即額定負載時，感應電勢與端電壓的比值。

接下來，利用推薦的數據或曲線選取電磁負荷A、Bδ，并根據 P'、n0、A 和 Bδ等參數求取 D2lef，其參數關系如下:

式中:CA為電機常數，表示生產單位計算轉矩所耗用的有效材料(銅、鋁或電工鋼)的體積，D2lef近似地表示轉子有效部分的體積，定子有效部分的體積也與它有關，Bδ為氣隙磁密的最大值為計算極弧系數，KNm為氣隙磁場波形系數，Kdp為電樞繞組系數。

再進一步，選取適當的尺寸比λ。選擇λ值時，通常主要考慮電機參數與溫升、節約用銅(鋁)、轉子的機械強度和轉動慣量等方面的限制和要求，對于中小型異步電機，通常取λ=0.4～1.5之間。

除上述主要參數外，本文還根據計算方法和類比法求得電機其他參數，如表1所示。

需要說明的是:為簡化電機模型，表1中忽略定子繞組間互漏感;由于高壓側輸出電流有高次諧波，所以定子高壓繞組漏感略大，實現高壓繞組電流濾波。

表1 3 kW雙穩壓發電機參數

3 基于Ansoft的電機建模與仿真

3.1 基于Ansoft電機建模

在Ansoft Maxwell 2D上建立電機模型通常有兩種方法，一種是在RMxprt模塊上輸入電機詳細參數，生成電機的沖片截面圖，在仿真、編譯都通過后可進行求解，然后利用求解的數據直接導入Maxwell 2D模塊，生成電機的2D模型;另一種方法是直接在Maxwell 2D里的繪圖區利用軟件里的畫圖工具把電機完整地畫出2D圖形來。本文采用前一種方法，但是所研究的定子雙繞組感應電機的繞組繞法和其有兩套繞組是RMxprt模塊里所不能設置的，也就是局部復雜。為此，采用生成2D模型修改方法完成其建模，所建立的電機的1/4模型如圖2所示。

在繪制Maxwell 2D模型中最關鍵是線與線的閉合性和面與面的加減，它主要是通過指定面域的材料來實現電機的建模與仿真，線與線的閉合是為了合成一個整體然后生成一個面域，面與面的加減是為了區分電機的各部分，然后給各個部分添加指定的材料，沒有定義材料的面域默認為真空。在Maxwell 2D中求解器可計算靜磁場、渦流場、瞬態磁場、靜電場、交變電場、直流傳導電場等6

種常用模型，本文求解的電機是隨時間做一定有規則的運動，所加的激勵是時間的函數。由于靜態場或者諧性場求解器均為靜磁場的求解器，對于時變的問題無法進行準確的描述，所以本文研究的雙繞組異步發電機采用瞬態磁場中進行建模仿真。

圖2 雙繞組異步發電機2D模型

下面再分析電機邊界條件。在有限元數值計算中最終求解的是矩陣方程，邊界條件則是該方程組的定解條件。即滿足該方程的解有無數組，而滿足方程又滿足其邊界條件的數值解僅有一組。邊界條件的設定保證了方程組能被順利接觸，同時邊界條件顧名思義就是模型各個邊界上的已知量，可以是場量或其他可用來定解的物理量。本文所研究的發電機添加的是Master/Slave Boundary主從邊界條件，也可以說是周期邊界條件，該邊界引入可以將類似于旋轉電機之類的集合模型簡化，僅計算其中的一個極或一對極，從而減少所計算的數據量，這也是建立的電機1/4模型的原因之一。

在設置繪制完模型并給出了激勵源和邊界條件后，下一步就需要對所繪制的模型進行剖分，網格剖分就是把電機剖分成有限個三角形小單元，為后續的有限元求解奠定基礎。Ansoft 12網格剖分采用了金字塔剖分設置，可以不需要用戶過多的參與剖分，直接利用內置的自適應剖分就可以得到正確的計算結果，對于高級用戶還可以自定義剖分，自定義精度可以得到不同精度的結果，雙繞組異步發電機的網格剖分如圖3所示。

圖3 雙繞組異步發電機剖分圖

3.2 基于Ansoft的電機性能分析

下面根據建立的模型分析發電機輸出的兩套電壓、高壓繞組激勵時的電流、電機的磁感應強度，還有其損耗等性能，分析時設定發電機的額定轉數為1575 r/min。

圖4為激勵電壓波形圖，異步發電機的激勵方式可以是在繞組上接上3個電容，利用電容的剩磁進行激勵，也可以把電機并入電網利用電網電壓進行激勵。Ansoft上的模型設置不了電容激勵，只有電壓和電流激勵，所以這里采用并入電網進行激勵，激勵電壓峰值為270 V。

圖4 激勵電壓波形

圖5和圖6為電機的轉矩曲線和繞組三相電流曲線。在轉矩曲線中可以很明顯地看到計算開始的瞬間，電磁轉矩變化范圍很大，這在正常的電機運行中是不會出現的，因為轉子為恒轉速運行，故軟件所給的工況是轉子在零時刻前已經被拖至額定轉速，然后在零時刻突然加電。實際中是從零轉速升至額定轉速。所以計算方法應取穩定后的轉矩數值作為參考，前半段計算無真實工況與之對應，不用考慮。電流波形亦是如此，前半段電流不穩定，也是由于從零時刻開始轉速直接是1575 r/min，后半段是穩定的三相電流。穩定后的電流有效值約為6.13 A。

圖5 電磁轉矩波形

圖6 激勵繞組電流值

圖7為高壓側和低壓側的感應電壓波形。高壓側輸出線電壓穩定，峰值約等于270 V，線電壓有效值為191 V，相電壓有效值110 V，整流后為270 V直流。低壓側感應電壓穩定，輸出線電壓峰值約為29.6 V，有效值為 21.1 V，相電壓有效值為 12.1 V，整流后為28 V直流。

圖7 感應電壓波形

圖8為穩定后的電機磁感應強度分布圖，可以看到，圖中所有地方磁感應強度沒有超過2.0 T。一般的硅鋼片膝點是在2.0 T左右，較好的硅鋼片能達到2.3 T，電機內的磁通是在鐵心上流動的，鐵心對磁通具有磁阻，磁通流過時會產生熱量，這樣的損耗叫磁滯損耗。同時鐵心也是一個導體，在垂直于磁力線的平面上就會感應電勢，這個電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路并產生渦流，渦流使電機的鐵心發熱溫度增加，這部分損耗稱為渦流損耗。磁滯損耗和渦流損耗統稱鐵耗。同樣，繞組中有電流通過，也會產生一定的熱量，這部分熱量稱為銅耗。圖9～圖12是定子軛、定子齒、轉子軛、轉子齒的磁感應強度隨時間變化的曲線，我們可以看到其穩定值基本都在1.8 T左右，符合硅鋼片的膝點要求，這樣不至于發熱量過大使電機損壞。

圖8 穩定后的電機磁感應強度分布圖

圖9 定子軛磁密隨時間分布

圖10 定子齒磁密隨時間分布

圖11 轉子軛磁密隨時間分布

圖12 轉子齒磁密隨時間分布

圖13和圖14是電機相應的銅耗，銅耗約為160 W;圖15為電機的鐵耗，鐵耗約為100 W。除此之外，電機還存在有摩擦損耗35.5 W、風摩損耗8.2 W，總損耗約為303.7 W。由此可以算出此設計的發電機效率約為89.99。

圖13 感應電流產生的銅耗

圖14 電壓源對應的絞線銅耗

圖15 硅鋼片中的鐵耗

4 結 語

本文針對未來裝甲車輛高低壓雙供電體制，提出了一種基于定子雙繞組的復合發電系統。首先分析了發電系統的結構組成和工作原理，分析了電機參數計算方法，并根據供電容量需求進行了發電系統主要參數校核計算。在此基礎上，建立了基于Ansoft電機模型，并對其電磁性能進行了分析，利用分析結果對電機參數進行了校核，為裝甲車輛新型供電系統設計提供參考。

［1］戴文進，張景明.電機設計［M］.北京:清華大學出版社，2011.

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