基于Ansoft汽車爪極發(fā)電機電磁分析與設(shè)計

，

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350116)

1 前言

爪極發(fā)電機體積小，成本低，在寬速范圍內(nèi)能有效發(fā)電，廣泛用于汽車行業(yè)。為了滿足運行及充電需求，爪極發(fā)電機定子設(shè)計成低電壓大電流繞組，電樞反應(yīng)明顯，若磁路設(shè)計不合理，將造成高次諧波偏大，嚴重影響爪極發(fā)電機負載運行性能[1-3]。因此，分析研究其各工況運行磁場分布顯得尤其重要。

爪極電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使電機磁場呈三維分布，利用Ansoft軟件建立爪極電機三維模型并進行有限元分析計算,為爪極電機設(shè)計提供選擇參數(shù)依據(jù)[4-8]。文中利用傅里葉分解計算不同工況下氣隙磁場和輸出電壓各次諧波分量大小，得知隨著電樞電流增大，電樞反應(yīng)使氣隙磁場與輸出電壓中高次諧波分量增加，發(fā)電機電能質(zhì)量變差。在后處理中，應(yīng)用Maxwell場積分器計算主磁路磁勢壓降和磁密分布，進一步分析電機磁場分布情況，為優(yōu)化設(shè)計提供參考。

本文就28V，2.2kW，8對極爪極發(fā)電機以RMxprt對其進行建模分析，在Maxwell 3D中生成并調(diào)整三維模型與實際結(jié)構(gòu)一致。用Simplorer搭建外部整流電路與RMxprt電機模型聯(lián)合分析計算，省時并直觀地得到電機各工況運行時直流輸出負載特性i=f(n)。Maxwell 3D計算結(jié)果與實測結(jié)果一致，驗證了電機設(shè)計模型及有限元分析的正確性。

2 爪極電機運行機理

爪極發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意及主磁路如圖1所示。勵磁繞組通入直流電流產(chǎn)生磁極磁場，外力驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，磁極磁場隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割定子三相繞組感應(yīng)產(chǎn)生三相交流電。負載時，電樞電流產(chǎn)生電樞磁場，電樞磁場對磁極磁場作用，產(chǎn)生電樞反應(yīng)，實現(xiàn)能量傳遞，氣隙磁場畸變。

圖1 爪極發(fā)發(fā)電機結(jié)構(gòu)及主磁路

汽車爪極電機整流電路如圖2所示，采用三相橋式全波整流，理想狀態(tài)下整流后的直流電壓為1.35倍電機線電壓。發(fā)電機怠速時，蓄電池提供直流勵磁。隨轉(zhuǎn)速增加，直至電機整流端電壓大于蓄電池電壓，勵磁方式由他勵變?yōu)樽詣睿D(zhuǎn)子勵磁由電機定子發(fā)電整流后供給，通過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)勵磁電流大小使系統(tǒng)輸出直流電壓穩(wěn)定在28V左右。

圖2 爪極電機整流電路

3 爪極電機建模與磁路分析

將電機設(shè)計參數(shù)輸入到RMxprt對爪極發(fā)電機數(shù)學(xué)建模，在Maxwell 3D中生成三維模型并根據(jù)實際結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，電機主要參數(shù)如表1所示。

表1 爪極電機主要參數(shù)

爪極發(fā)電機磁場分布復(fù)雜使得磁路計算誤差大，Ansoft有限元軟件計算分析解決了這一問題。三維模型中建立輔助線示意如圖3所示，在三維模型內(nèi)部沿閉合磁路建立n段輔助線，后處理中利用場積分器沿i段輔助線方向?qū)Υ艌鰪姸确e分得到主磁路上此段磁壓降Fi：

(1)

根據(jù)安培環(huán)路定律，閉合磁路各段磁壓降總和F1+F2+…+Fn應(yīng)與所加勵磁磁勢Wfif相等：

Wfif=F1+F2+…+Fn

(2)

(3)

圖3 三維模型及輔助線示意

空載6000r/min電機發(fā)出28V直流電壓時，由Ansoft場積分器計算得各段磁路長度以及對應(yīng)磁壓降如表2所示。

表2 各段長度以及磁壓降

由表2得到沿輔助線上閉合磁路磁壓降總和F1+F2+…+Fn為84.03A與勵磁繞組外加磁勢Wfif84A基本相等，符合安培環(huán)路定律。在后處理中可以得到此工況各段輔助線上主磁路磁密分布如圖4所示。借助有限元軟件的計算分析，建立輔助線模型可以更直觀精確地進行磁路計算，該分析結(jié)果為優(yōu)化磁路設(shè)計提供參考。

4 爪極電機電樞反應(yīng)研究

爪極電機磁場呈三維分布，空載時沿Z軸不同高度三條氣隙輔助線L1、L2、L3位置如圖5(a)所示。隨著Z軸坐標變化，N極與S極的極弧系數(shù)大小變化相反，空載氣隙磁場也隨之變化，對應(yīng)三條氣隙輔助線上磁密分布如圖5(b)所示。

圖4 空載6000r/min時電機主磁路磁密分布

汽車爪極電機具有低電壓大電流的特點，這使得電樞反應(yīng)明顯，電機磁場分布受到嚴重影響。空載6000r/min，負載2500r/min以及負載6000r/min三種工況下,Z=0處輔助線上氣隙磁密分布如圖6所示。

圖5 空載不同高度氣隙磁密分布比較

圖6 不同工況氣隙磁密分布

由圖6可見，不同工況下電樞反應(yīng)使得氣隙磁密波形發(fā)生不同程度畸變，利用傅里葉分解計算得到各工況氣隙磁密對應(yīng)各次諧波分量大小如圖7所示，可見：高次諧波增大是氣隙磁密發(fā)生畸變主要原因。對應(yīng)各工況氣隙磁場分布云圖如圖8所示，由圖8可見：三維空間上，電樞反應(yīng)使氣隙磁場靠近爪極兩側(cè)不對稱分布。綜上可知：不同工況下，隨著電樞電流增大，電樞反應(yīng)對氣隙磁場作用越明顯，氣隙磁場高次諧波含量增大。

圖7 不同工況氣隙磁密諧波分解

電樞反應(yīng)使氣隙磁場發(fā)生畸變，因此對電機發(fā)出相電壓大小和質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。空載6000r/min、負載2500r/min、負載6000r/min三種工況下，定子繞組相電勢波形及對應(yīng)工況下各次諧波大小如圖9～11所示。比較圖9(b)圖11(b)可見：相電勢基波幅值相同，圖11(b)中由于電樞反應(yīng)影響，其各次諧波明顯增大。比較圖10、圖11可見，圖11轉(zhuǎn)速高，輸出負載大，電樞電流大，電樞反應(yīng)增強，高次諧波占比增大，電壓雜波多。綜上可知：輸出負載電流增大，電樞反應(yīng)越大，電機所發(fā)出電壓中的高次諧波越明顯，電樞反應(yīng)是電能質(zhì)量變差的主要根源。

圖8 不同工況氣隙磁場分布

圖9 空載6000r/min相電勢及各次諧波大小

圖10 負載2500r/min相電勢及各次諧波大小

圖11 負載6000r/min相電勢及各次諧波大小

5 爪極電機外電路及仿真研究

Simplorer是一款多域機電系統(tǒng)仿真分析軟件，本文采用RMxprt電機模型與Simplorer軟件聯(lián)合仿真計算，對外電路特性進行分析研究。這樣做雖然無法得到電機內(nèi)部電磁場，但在研究輸出特性上節(jié)省了大量仿真時間。將其計算結(jié)果與帶有外電路的爪極電機三維模型在Maxwell 3D中的計算結(jié)果進行對比，驗證了兩種仿真計算結(jié)果的一致性。RMxprt模型在Simplorer中搭建的聯(lián)合仿真線路如圖12所示。

圖12 RMxprt與Simplorer聯(lián)合仿真線路

以計算負載6000r/min、時長10ms為例，RMxprt與Simplorer聯(lián)合仿真計算用時10s左右，而一對極三維模型在Maxwell 3D有限元計算用時4h45min左右，聯(lián)合仿真計算外電路特性有省時的優(yōu)越性。

負載6000r/min工況下，RMxprt與Simplorer聯(lián)合仿真計算及Maxwell 3D有限元計算電機線電壓波形分別如圖13所示。兩種分析整流后輸出的直流電壓及電流分別如圖14所示。

圖13 兩種仿真計算的線電壓對比

兩種計算穩(wěn)態(tài)后的結(jié)果對比如表3所示。

圖14 兩種仿真計算輸出直流電壓及電流對比

聯(lián)合仿真10s24.15V28.08V80.83A有限元仿真4h45min23.86V27.42V78.92A

可以看出：Maxwell 3D有限元計算模擬了電機啟動時勵磁電流階躍突加的情況，所以啟動時輸出電壓與電流發(fā)生波動。分析時取穩(wěn)態(tài)后的值進行對比，兩種仿真結(jié)果基本相同，而聯(lián)合仿真調(diào)整電路參數(shù)方便，研究輸出特性省時，適合爪極電機各個工況輸出特性的研究。

6 爪極電機仿真與實驗數(shù)據(jù)對比

根據(jù)以上設(shè)計分析，試制了一臺28V爪極發(fā)電機并進行輸出特性測試。測試過程始終保持負載輸出電壓為28V，樣機負載特性實測結(jié)果及Ansoft計算如表4所示，對應(yīng)輸出特性如圖15所示。

表4 實測與有限元計算輸出電流對比及誤差

圖15 試制樣機轉(zhuǎn)子

圖16 實測與有限元計算輸出特性

可以看出樣機測試與有限元分析計算得到的負載輸出特性基本一致，輸出電流最大誤差為3.7%，Maxwell 3D計算與實測結(jié)果一致，驗證了電機設(shè)計模型及有限元分析的正確性。

7 結(jié)論

本文對一臺2.2kW，8對極汽車爪極發(fā)電機進行電磁分析與設(shè)計研究，應(yīng)用Ansoft軟件對磁路進行分析計算并通過傅里葉分解研究電樞反應(yīng)對氣隙磁場及電機相電勢的影響，RMxprt與Simplorer聯(lián)合仿真計算在對輸出特性的研究上更加省時。樣機測試結(jié)果與仿真設(shè)計輸出特性一致，驗證了有限元分析的正確性。本文中的分析方法與結(jié)論為進一步優(yōu)化爪極電機參數(shù)、負載性能以及混合勵磁爪極發(fā)電機設(shè)計提供一定理論基礎(chǔ)和實用參考。

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