車輛用交流發電機發電性能仿真分析計算方法

張志華

(錦州漢拿電機有限公司，遼寧錦州 121013)

0 引言

Ansoft軟件包含了高頻、低頻、線路板及封裝等仿真模塊，涉及電機電磁仿真計算方面的主要有 Rmxprt、Maxwell2D、Maxwell3D、Simplore 四個模塊。其中Rmxprt包含了常見的三相感應電動機、單相感應電動機、永磁直流無刷電機、永磁直流電機、開關磁阻電機、通用電動機、爪極交流發電機等參數化計算模型。通過Rmxprt可自動生成Maxwell2D/3D模型文件，同時也可以為Simplore系統分析提供封裝的電機元件模型。

本文將利用Ansoft軟件中的Rmxprt(爪極交流發電機模型)和Simplore兩個模塊，對車輛用交流爪極發電機的發電性能進行系統分析，來評價爪極發電機電磁參數的設計是否符合要求。

JFZ系列型號爪極交流發電機常用于12 V乘用車車載系統，為整車用電設備供電，同時為蓄電池充電。發電機的發電性能是整車用電匹配極其重要的技術參數，也是發電機產品設計最先關注的焦點。以往對發電機性能的調整是依據整車技術條件的要求，通過復雜的理論計算來修改電磁參數，然后做手工樣機進行試驗驗證。通常情況下，由于理論計算時涉及的經驗系數選取、計算模型合理性等問題的限制，導致試驗結果與理論計算偏差較大，而且計算過程較為復雜，依賴于設計者掌握電機知識的程度，整個設計計算過程不易于推廣和工程化。本文利用Ansoft軟件可解決以上不足。

1 建立爪極交流發電機模型

在Rmxprt模塊中所建立的爪極發電機模型只可計算三相交流輸出，為了能獲得整流后輸出的直流性能數據，需要在Simplore軟件中進行整流和加負載的系統仿真計算。但是在Simplore軟件中所用的電機元件模型，就是用Rmxprt模塊建立的。

首先進入Ansoft軟件的Maxwell界面，按照圖1所示的流程進行操作，其中模型的結構及電磁參數按表1～表3的內容進行填寫。

圖1 Rmxprt計算流程圖

表1 整機參數

表2 定子總成參數

表3 轉子總成參數

在設置接線方式時，需在Design Settings→User defined data中將enable選項鉤選上，然后再重新進入，并在文本框內輸入編輯:“Connection 1”。其中“Connection”的首寫字母C必須是大寫，否則是無效的。數字“1”表示的是角接;如果是星接，可將“1”改為“0”。

其他參數設置按表1～表3數據填寫即可。

分析計算結束后，通過 Analysis setup→Export→simplore model..對話框，將爪極發電機模型導出成*.SML文件，將 SML文件導入到Simplore軟件中，即可作為爪極交流發電機元件，來搭建系統仿真電路，從而進行發電機的系統仿真分析。

2 建立系統仿真模型

Simplore是Ansoft的一個獨立的系統仿真軟件，其不但可以將Rmxprt導出的SML文件導入其中，當做一個元件進行系統級的仿真，還可以Mmaxwell2D/3D進行雙向或單向聯合仿真。

本文針對JFZxxxx發電機進行整流系統仿真計算，以求其發電性能。其操作流程與Rmxprt類似。首先打開Simplore軟件，新建一個項目，將Rmxprt導出的SML文件導入該項目中，將該電機元件模型放置繪圖區。其他電子元件在“project manager”窗口下，選擇“component”標簽，并將其展開，在“Basic Elements”中的“Circuit”文件中選擇所需元件。各元器件可按表4中所指路徑查找添加，按圖2(爪極發電機整流系統仿真電路圖)布置即可。同時修改各元件參數。

表4 系統仿真元件參數

圖2 爪極發電機整流系統仿真電路圖

各元件按圖2布置連接完成后，在該項目下的“Analysis”中添加“Options”，并在“Options”窗口內設置最大迭代數為40。在瞬態分析“TR”中設置仿真時間為20 ms，最小時間步長為5 e-7 s，最大時間步長為5 e-5 s。

負載電阻的阻值可通過兩種方法確定:

(1)反復修改負載阻值，使整流輸出的電壓平均值接近13.5 V來確定負載電阻;

(2)將負載電阻值設置為變量，并對該變量進行掃描計算。計算完成后，在Simplore的后處理“Results”下新建一個負載電阻的電壓曲線，同時將負載電阻的所有值均選上;然后將所有曲線作5～20 ms間平均值，從中查找接近13.5 V的輸出電壓性能曲線，以確定該電壓值對應的負載電阻。

通過確定的負載電阻，可作出該負載條件下的輸出電流曲線;然后再對該電流曲線作5～20 ms的平均值，即得到了該轉速下，輸出13.5 V電壓的情況下的發電機發電性能。

通過以上操作過程，可以得出發電機轉速在1 800 r/min，整流后輸出平均電壓為13.5 V時，負載電阻為188 mΩ。該負載條件所對應的發電性能，即整流輸出電流平均值為71.8 A，其發電性能曲線如圖3所示。其他轉速的發電性能同樣按上述的方法操作獲得。

圖3 發電機整流輸出電流曲線

3 系統仿真分析數據與手工樣機試驗數據對比

通過Simplore的系統仿真分析計算后，在后處理“Results”新建一個負載電阻的電流曲線。操作過程:右擊 Results選擇 create standard report→rectangular plot..出現 report窗口，先在Category列表框中選擇“ALL”，之后在Quantity列表框里會顯示出相關參數，在其中選擇Load.I或AM1.I皆可。點擊NewReport按鈕，即可生成負載電流曲線。對該電流曲線作5～20 ms的平均值計算。操作過程:在曲線圖形區點擊鼠標右鍵，選擇 trace characteristics→Add...，打開了 Add trace characteristics窗口，在category中選擇Math，在Function中選擇Avg，在下面的表格中，range選擇specified，起始值設置為5 ms，結束值設置為20 ms。點擊“done”按鈕，即可在電流曲線圖形中顯示5～20 ms間的電流平均值，如圖3所示，其Load.I的平均值為 71.792 7A。

通過上述操作，可依次計算出各轉速下的輸出電流。經計算，如表5所示。將仿真數據與手工樣機試驗數據進行對比，最大偏差率在4.5%以內，尤其在額定轉速6 000 r/min時，其偏差率僅為1.09%。故，該仿真模型的建立和分析方法的設計是可靠的。

表5 仿真數據與試驗數據對比

4 結語

爪極發電機具有結構緊湊，功率體密度高等優點，被廣泛應用于汽車行業。其作用是將發動機輸出的機械功率轉換為電功率，其結構特點如下:定子上嵌有多相電樞繞組，其極數與轉子相同。轉子上裝有較特殊的前、后爪形磁極，這種磁極結構有利于在轉子直徑較小的情況下，安排較多的磁極。爪極轉子上裝有勵磁繞組或永磁體。發動機通過皮帶傳動帶動發電機轉子旋轉，在氣隙中產生旋轉磁場，該磁場會在定子繞組中產生交流感應電壓，繞組各相通過整流橋將交流電轉換成直流電，以供車載電器設備用電和蓄電池充電。

本文通過使用Ansoft軟件中的Rmxprt模塊和Simplore軟件，有效快速的對爪極發電機電磁參數的設計方案進行了仿真分析和驗證，其結果是可信的。通過該方法也可針對電磁參數中的某一數據反復分析調整，以獲取電機整體參數匹配的最優方案。該方法不僅可以提高產品開發的效率，還可以減少物理樣機反復開發的修正次數，節約了開發成本，為產品盡快推向市場，提供了技術保障。