新型爪極發電機的電磁分析

李衛民，馬平平

(遼寧工業大學，錦州 121001)

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新型爪極發電機的電磁分析

李衛民，馬平平

(遼寧工業大學，錦州 121001)

針對爪極式發電機的特殊結構使得氣隙間漏磁比較嚴重的現象，提供了一種爪極間安裝有條形永磁體的16爪新型爪極發電機結構。通過逆向工程獲得該發電機的三維模型，利用Ansoft軟件中的Maxwell 3D模塊進行了空載勵磁分析，論證了該款發電機的優異性能，為爪極發電機的結構設計和磁場分析提供了理論參考。

爪極發電機；漏磁；永磁體；Maxwell

0 引 言

隨著社會的發展，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用。伴隨著人們對汽車舒適性的更高要求，汽車內空調、電動座椅等電器元件的應用，使得汽車發電機性能的要求也越來越高。爪極發電機因其容易制造、成本低而被廣泛的應用，但是因為爪極電機本身結構的特殊性，使得電機漏磁較大[1]。針對現有技術中存在的上述問題，在發電機前后爪極之間鑲嵌呈長條狀永磁體(簡稱磁條)，可以大大增加爪極的導磁性能，從而顯著增加發電機的輸出功率和效率，使爪極發電機的發電性能得到顯著改善。

傳統的發電機設計，常采用經驗公式來計算和修改電磁參數，根據整車的技術要求對發電機性能進行調整，通過對手工樣機進行試驗驗證。該種方法不僅計算過程復雜，而且分析結果與實際常有較大偏差[2]。而有限元技術的發展應用，則很好地解決了復雜的結構分析以及精確分析等計算問題。有限元技術的應用，使產品無需大量復雜的試驗，通過仿真計算方法即可驗證所設計產品的合理性與可靠性，從而得出最佳產品設計方案，減少產品試驗以及制造時所需成本。本文利用有限元法從理論上驗證了該款發電機的優越性，并對發電機的漏磁做了定量分析，并提出了優化改進的方法。

1 爪極電機模型的建立

針對爪極發電機模型的建立主要有以下三種方式[3]：一，根據發電機的實際尺寸數據，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)進行模型的建立然后導入Ansoft中；三，在Rxmprt建立基本的模型后導出，再利用第三方軟件進行細節的調整和修改得整體模型。在以上所述方法中，第二種方法因為專業三維繪圖軟件的應用，使用較為簡便。本文所研究發電機是一款韓國進口發電機，8對爪極，48槽結構，模型的建立是通過逆向工程來獲取的，逆向所得模型導入Ansoft中如圖1所示。轉子部分由8對爪極、勵磁繞組、永磁體組成。定子包括三相繞組和鐵心，共有48槽。對發電機完整的有限元分析主要包括需要以下幾個步驟[4]，如圖2所示。

圖1 爪極發電機整體分析模型

圖2 發電機電磁分析具體步驟

2 空載磁場的分析

對于前后爪極之間鑲嵌呈長條狀永磁體的該款發電機，空載時的主磁通是由電勵磁磁通以及永磁勵磁磁通兩部分并聯組成的。其中由勵磁繞組通電產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-轉子磁軛-爪極N極，主磁通流經電機各部件形成了一個閉合回路[5]。

圖3 勵磁繞組通電產生的主磁通路徑

另外，由附加的永磁體產生的另一部分主磁通同樣形成一個閉合回路：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入定子，避免N，S極間形成回路，從而達到通過加永磁體實現增加氣隙磁通、減小了爪極之間的漏磁通、提高了發電機效率的目的。

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、型號為N38UH的釹鐵硼。給勵磁繞組通以5 A的勵磁電流，計算發電機在額定轉速6 000 r/min時的空載狀態，得仿真后有無磁條結構的發電機空載磁力線分布圖如圖5所示。

(b) 加磁條后

通過對圖5的觀察可以發現，僅通過電勵磁的方式產生的磁感線，大部分在轉子間形成了回路，而在爪極間加入磁條后的發電機得到了明顯改善。因為由永磁體產生的主磁通與勵磁繞組通電之后產生的主磁通是并聯關系，故可以在不增加勵磁電流的前提下增大了氣隙磁密的輸出，進而提高了發電機的效率。

圖6 無永磁體與帶有8個永磁體的對比

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

除上述結果外，還得出了空載時，有無長條永磁體氣隙磁通量對比曲線圖，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 磁通量對比曲線

3 結 語

本文通過逆向工程獲得了爪極發電機的三維模型，利用Ansoft軟件中的Maxwell 3D模塊對該款發電機進行了空載勵磁分析，從理論和分析結果兩方面論證了在發電機前后爪極之間鑲嵌永磁體可以大大增加爪極的導磁性能，達到提高發電機的輸出功率和效率的目的。并為后續的負載分析以及結構優化奠定了基礎。

[1] 李方正,賴建軍,程延偉,等.基于Ansofl的爪極發電機空載漏磁分析[J].微電機,2012,45(2):14-16.

[2] 劉金鵬,莊圣賢,楊建華,等.基于Maxwell 3D的爪極式發電機的建模與仿真分析[J].電機技術,2013,(3):8-11.

[3] 匡秀洪,莊圣賢,匡秀鵬,等.爪極發電機的氣隙磁場與結構的優化[J].微特電機,2012,40(11):30-33.

[4] 趙博,張洪亮.ANSOFT12在工程電磁場中的應用[M]．北京:中國水利水電出版社,2010．

[5] 倪有源,王群京,張學.爪極發電機空載漏磁計算[J].中國電機工程學報,2008,28(17):132-137.

[6] ZHANG Fengge，YUE Zhang，BAI Haijun，et al．Study on a new type of permanent magnet claw pole motor with outer rotor[C]//IEEE POWERCON,2008:1-5．

[7] 喬東偉,王秀和,朱常青.環形永磁體夾置式混合勵磁無刷爪極發電機的研究[J].電機與控制學報,2014,18(5):30-35.

[8] 張志華. 車輛用交流發電機發電性能仿真分析計算方法[J].電機與控制應用,2013,40(10):50-57.

作者簡介：李衛民(1965-)，男，博士，教授，研究方向為機械CAD/CAE/CAM/ERP、數字化設計與制造技術。

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，研究方向為電機與電器。

2015-08-30

遼寧省科技攻關項目計劃(2014106008)

TM35

A

1004-7018(2016)03-0022-03