自勵式電渦流緩速器發電機的仿真實驗研究

劉豪睿，衣豐艷，楊君

（1.德州學院 汽車工程學院，山東 德州 253023；2.山東交通學院 汽車工程學院，山東 濟南 250023）

前言

傳統電渦流緩速器已經成為重型車輛和客車的關鍵配置，并有較多的相關論文發表[1-3]。電渦流緩速器需要汽車電池充電系統的至少10A的電流，將會引發潛在的問題，為此，自勵式電渦流緩速器的研發隨之成為熱點。Haijun設計了一種具有兩個轉子的自勵式緩速器[4]，并包含有一個內置永磁發電機。Zhang設計了一種自勵式電磁液冷緩速器結構，運用有限元法分別對該緩速器電磁場和制動性能進行分析，應用有限體積法對緩速器瞬態流場-熱場進行數值模擬[5]。Nian在自勵式緩速器中設計了一種無刷直流發電機[6]。楊效軍基于傳熱學理論和有限元對一種自勵式緩速器瞬態溫度場數值分析[7]。以上類型的自勵式電渦流緩速器結構復雜，較難推廣到實際應用。永磁同步發電機的結構多種多樣，不同結構的永磁發電機性能各異[8]，而極槽數相近的外轉子集中繞組永磁同步發電機具有直驅性能好啟動磁阻力矩小、高轉矩密度、高功率密度、繞組利用率高以及工藝結構簡單等多種優良性能[9-11]，非常符合低速易啟動小功率和高效率的特性，因此本文針對將自勵式電渦流緩速器的發電機部分設計為外轉子發電機。在已有文獻中，該種電機的技術資料較少，本文的目的是使用有限元發對電機結構參數進行仿真，并且同實驗數據進行對比，來驗證理論分析結果的可行性。

1 自勵式電磁緩速器結構與工作原理

新型自勵式電磁緩速器由電渦流緩速器部分和外轉子發電機部分組成，其結構如圖1所示。勵磁繞組和發電繞組固定在一起，轉子盤采用通風式結構，發電機的永久磁鐵同轉子盤連接。當緩速器工作時，轉子軸拖動轉子盤和永磁旋轉，發電線圈發出的電通過控制系統給勵磁繞組供電，提供勵磁電流的同時產生發電轉矩。轉子盤表面切割磁力線，感應出渦流電勢的同時產生電渦流制動轉矩。

圖1 自勵式電渦流緩速器結構

表1 電渦流緩速器的制動力矩（勵磁電流55A）

由此可以計算發電機額定功率：PN= Pmax/λ式中λ為電機過載系數，本文發電機設計的過載系數為2.5，則額定功率Pmax計算值為（24×55×2.5）kW=3.3kW，為了進一步計算需求的電功率，必須要定義出系統器件的工作效率，在滿負載的情況下效率大約為95%，因此計算系統電功率需求約為3.5kW。

綜合各種永磁電機的性能并結合電渦流緩速器的結構特點，選用6極18槽外轉子永磁同步發電機。下面將從振動與噪聲、電機重量、永磁體利用率及輸出電壓方面進行分析。為了減少前期實驗研發成本，將發電機與緩速器的設計并列進行，即建立發電機的模型，通過方便的實驗手段來驗證模型仿真的結果是否正確。根據緊湊型高效發電機的開發要求，確定一款永磁同步發電機樣機，其參數見表2。

表2 發電機性能參數

2 數值分析

由于永磁電機是對稱的模型，為了簡化計算，由于永磁發電機磁力線在其內部徑向閉合，因此采用二維瞬態數值模擬即可對其電磁場進行準確分析，并減少運算時間。對永磁發電機部分模型的邊界條件采用反對稱周期邊界。圖2為發電機在ANSYS Maxwell中的數值模擬模型。

圖2 發電機數值模擬模型

當發電機處于空載時，氣隙的磁通密度為1.6T左右。磁路設計在合理范圍之內。

圖3 發電機空載磁密分布云圖

由于永磁發電機的外部負載為緩速器線圈，其阻值為 1歐姆，因此在數值模擬外電路中負載簡化為1Ω電阻，模型設定轉速n=1500r/min。圖4為發電機負載磁密分布云圖，從圖中可以看出，發電機在負載情況下氣隙磁密為1.6T，驗證發電機主體設計中，各部分磁密設計在合理范圍之內。

圖4 發電機負載磁密分布云圖

3 實驗研究

通過獲得永磁發電機空載特性、負載特性以及外特性，用來驗證發電機設計是否滿足緩速器要求，同時驗證發電機是否滿足緩速器所需的功率要求。圖5為永磁發電機試驗臺。在圖6和圖7中，二維瞬態場計算結果和實測的試驗數據的對比，可以得到數據仿真結果和試驗結果基本吻合。在測試負載特性時，負載使用帶電感的 1Ω電阻，和緩速器線圈阻值以及電感相同。緩速器工作時需發電機提供勵磁電流最大為55A，從實驗結果可以看出，所設計的發電機滿足緩速器要求。

圖5 為永磁發電機試驗臺

圖6 空載情況下直流輸出電壓和轉速的關系

圖7 負載情況下直流輸出電壓和轉速的關系

4 結論

本文對一種自勵式電渦流緩速器的發電機部分進行了分析，得出了電渦流緩速器永磁發電機的設計要求，討論了滿足這些設計要求應采取的設計，通過有限元仿真和實驗結果對比分析可知，永磁發電機適應電渦流所需的勵磁電流要求，增加同等條件下的制動力矩，解決緩速器的獨立供電問題，減少對其它汽車電器的干擾，由此驗證了本文分析的合理性。該分析過程和設計結果可以為后續該型自勵式電渦流緩速器的研發提供參考。

參考文獻

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