汽車混合勵磁發電機的開發*

張學義,杜欽君,馬世倫,徐進彬,耿慧慧

(1.山東理工大學交通與車輛工程學院,淄博 255049； 2.山東理工大學電氣與電子工程學院,淄博 255049)

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汽車混合勵磁發電機的開發*

張學義1,杜欽君2,馬世倫1,徐進彬1,耿慧慧1

(1.山東理工大學交通與車輛工程學院,淄博 255049； 2.山東理工大學電氣與電子工程學院,淄博 255049)

汽車用混合勵磁發電機既具有永磁發電機損耗小、效率高的優點，又具有電勵磁發電機良好的電磁調節特性，在汽車電源系統中有著重要的應用價值。本文中設計出雙徑向永磁與凸極電磁形成并聯磁路結構的組合式轉子，以及氣隙磁場中的高次諧波含量低、定子鐵芯渦流損耗少的分數槽繞組定子。利用磁場有限元分析軟件對混合勵磁發電機磁場進行了建模和仿真，結果表明，通過調節通入凸極轉子電勵磁繞組電流的大小和方向、進而調節氣隙中磁場密度，混合勵磁發電裝置可在寬轉速、寬負載范圍內輸出穩定的電壓。

汽車；混合勵磁發電裝置；永磁；電磁；并聯磁路

前言

發電機是汽車電源系統的關鍵部件，隨著汽車電氣設備日臻完善，用電量不斷增大，原有的硅整流發電機和永磁發電機已經不能滿足現代汽車電氣設備對用電量的要求。硅整流發電機由電勵磁繞組產生磁場，通過電勵磁繞組的電能大部分由于勵磁線圈發熱而消耗掉，勵磁線圈中只有部分電能轉換為用于發電的磁能，電能消耗大[1]。永磁發電機由永磁鋼產生磁場，無電勵磁繞組，結構簡單、運行可靠，但鑒于國內永磁發電機的研制水平有限，存在電機磁特性難以調節、輸出電壓難以穩定等問題，主要應用于需求發電機功率比較小的車輛上[2]。永磁與電磁混合勵磁發電機既具有永磁發電機高功率密度、高效率、高可靠性的優點，又具有電勵磁發電機良好的調整特性[3-4]，非常適應于現代汽車電源系統中的發電裝置。

混合勵磁發電機主要分為串聯磁路式、并聯磁路式和混聯磁路式3種結構形式，其中串聯磁路式永磁磁路與電勵磁磁路串聯，電勵磁磁場將直接作用于永磁體，磁阻大，復雜工況下易引起永磁體的不可逆退磁；混聯磁路式永磁磁場和電勵磁磁場既有串聯部分，又有并聯部分，只有部分電勵磁磁場直接通過永磁體，通常不會產生永磁體永久退磁現象，但結構較為復雜，磁場耦合較多；本文中設計的混合勵磁發電機采用并聯式結構，該結構永磁磁場與電勵磁磁場在各自磁路上并聯，在主氣隙中合成，電勵磁磁場不直接經過永磁體，磁場間耦合小。永磁轉子采用雙徑向內嵌式結構，兩徑向永磁磁場互為補充，磁場分布均勻，氣隙磁通密度高；電勵磁轉子采用傳統的凸極式結構，簡單、可靠；定子采用分數槽繞組，降低了磁場中高次諧波含量和渦流損耗，提高了發電效率。本文中設計的混合勵磁發電機結構形式先進，具有良好的研究價值和使用價值。

1 混合勵磁發電裝置主要參數確定

永磁與電磁混合勵磁發電機主要為汽車用電設備提供電能，并給蓄電池充電，結構示意圖如圖1所示，主要技術指標見表1。

1.1 雙徑向永磁轉子

瓦片形永磁鋼由非導磁螺釘通過極靴固定在轉

表1 混合勵磁發電機主要技術指標

子磁軛上，與嵌入轉子鐵芯矩形槽中的矩形永磁鋼組成雙徑向永磁轉子，瓦片形永磁鋼和矩形永磁鋼的截面共同為氣隙提供每極磁通，提高發電機的氣隙磁通密度。雙徑向永磁轉子結構圖如圖2所示。

圖2 雙徑向永磁轉子結構示意圖

根據經驗公式計算永磁鋼體積[5]：

(1)

式中：PNY為混合勵磁發電機中的永磁發電機的功率；σ0為漏磁系數；Kad為將直軸電樞磁動勢折算到轉子磁動勢的折算系數；KF為發電機短路時每對磁極的永磁鋼磁動勢為直軸電樞磁動勢的倍數；f為發電機頻率；Ku為電壓波形系數；KB為氣隙磁通的波形系數；C為最大磁能利用系數；(BH)max為最大磁能積。

根據轉子結構的幾何約束條件(見圖3)確定永磁鋼的具體尺寸。

圖3 永磁鋼幾何約束條件

由圖3可知，本設計中發電機定子鐵芯半徑Rs0和轉子鐵芯半徑Rr0是一定的，永磁鋼厚度受多個幾何約束的限制：

0

(2)

hm1

(3)

(4)

式中：bm1為瓦片形永磁鋼厚度；bP為極靴厚度；δ為氣隙長度；θ為隔磁氣隙Ⅱ到軸中心的夾角；hm1為瓦片形永磁鋼寬度的一半；hm2為矩形永磁鋼寬度；Rz為軸半徑；t1為非導磁襯套厚度；t2為非導磁襯套凸起長度；t3為矩形永磁鋼到轉子鐵芯邊緣的距離。

計算得永磁鋼的尺寸如表2所示。

表2 永磁鋼主要尺寸

1.2 凸極電勵磁轉子

對電勵磁轉子磁場的要求是根據負載電流的變化產生附加的空載感應電動勢，以補償永磁發電機因負載電流變化而引起的電壓變化，使混合勵磁發電機輸出電壓保持穩定。凸極電勵磁轉子結構圖如圖4所示。

圖4 凸極電勵磁轉子結構圖

1.2.1 確定磁極形狀

在凸極式發電機的設計中，對氣隙磁密波形有明確要求，希望盡可能為正弦分布，才能使發電機輸出電壓為正弦波，但由于凸極發電機為集中勵磁繞組，其磁勢分布為矩形波，所以凸極發電機一般不做成均勻氣隙[6]。設計時將磁極中心線處氣隙做成最小值為δmin，對應磁極極尖處為氣隙最大值δmax，凸極發電機磁極形狀圖如圖5所示。

圖5 凸極發電機磁極形狀

當δmax∶δmin=1.5∶1時，氣隙磁密波形非常接近正弦波。若δmax∶δmin的比值偏小，氣隙磁密波形呈脈沖形，比值過大則相鄰極靴間轉子漏磁通增加，引起轉子磁路飽和。而極身寬度bm太小，極身磁密易飽和，若bm太大放置電勵磁繞組的空間過于狹小，bm由下式確定：

(5)

式中：Bg為氣隙磁通密度正弦波的峰值；τ為轉子極距；l為凸極轉子鐵芯長度；σm為磁極漏磁系數；Km為轉子沖片疊壓系數；lm為轉子極身軸向長度；Bm為轉子極身磁密控制使用值。

式(5)中的分子為轉子每極磁通量，分母為單位極身寬度對應極身面積允許通過的磁通量。計算得極身寬度bm=11mm。

轉子極身高度hm應滿足電勵磁繞組總截面積的設計要求，hm太小勵磁繞組放置空間過于緊張。本文中取轉子極身高度hm=22mm。

1.2.2 電勵磁繞組匝數計算

電勵磁繞組纏繞在轉子鐵芯的凸極上，相鄰兩個繞組的纏繞方向相反，匝數相同，在相鄰的兩個凸極表面形成N極、S極間隔排列的電勵磁轉子。

由克希荷夫第二定律∑HL=∑NI得

(6)

式中：B0，B1和B2分別為氣隙、硅鋼片和轉子鐵芯中的磁感應強度；l0，l1和l2分別為氣隙、硅鋼片和轉子鐵芯的磁路長度；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7H/m；μr1和μr2分別為硅鋼片和轉子鐵芯的相對磁導率；Nl為電勵磁繞組匝數；Il為電勵磁繞組電流。

計算得Nl=1014.5，即每極匝數為126.8匝，本文中取電勵磁繞組每極匝數Nl=130匝。

按式(7)計算電勵磁繞組導線直徑dl：

(7)

式中J為電勵磁繞組導線電流密度。

計算得dl=0.48mm，本文中取dl=0.51mm。

1.3 定子結構設計

混合勵磁發電機的定子設計為3相8極36槽，每個轉子磁極對應4.5個定子齒的分數槽繞組結構，這樣不僅降低了發電機氣隙磁場中的高次諧波含量，減少定子鐵芯渦流損耗，而且使整個轉子的靜磁力達到最小，發電機的起動阻力矩降低，本文中定子槽型選為梨形槽，如圖6所示，分數槽繞組原理圖如圖7所示。

圖6 定子槽型圖

圖7 分數槽繞組原理圖

1.3.1 電樞繞組每相串聯匝數Ns

Ns=E0/(4.44fKwΦδ0)

(8)

式中：E0為空載感應電動勢；Kw為電樞繞組系數；Φδ0為空載時通過電樞繞組的有效磁通量。

計算得Ns=48。

1.3.2 電樞繞組導線直徑ds

電樞繞組導線直徑ds按式(9)算得的導線截面積計算：

(9)

式中：ACu為導線截面積；IN為額定相電流；a為并聯支路數，a=1。

本文中取導線直徑為ds=1.75mm。

2 混合勵磁發電裝置磁場仿真分析

根據麥克斯韋方程組建立磁場分析數學模型[7]：

(10)

上述方程組中，場量之間的關系為：D=εE，B=μH，J=σE。

由以矢量磁位A為場變量函數的波動方程和以標量位函數φ為場變量函數的波動方程得到電磁場的波動方程為

(11)

接著構建幾何模型，定義并分配材料屬性，加載激勵源與邊界條件，最后求解選項參數并進行后處理。

當凸極電勵磁轉子不通電流、通正向電流和通反向電流時，獲得混合勵磁發電機轉子的磁通密度模值圖和磁通密度矢量圖如圖8所示。

圖8 混合勵磁發電機轉子靜態場圖

從圖8(a)中可以看出，當凸極電勵磁轉子不通電流時，永磁與電磁混合勵磁發電裝置氣隙中的磁通僅由雙徑向永磁磁場提供，氣隙磁通密度較小。從圖8(b)中可以看出，當凸極電勵磁轉子通正向電流時，混合勵磁發電裝置氣隙中的磁通由雙徑向永磁磁場和凸極電磁磁場共同提供，凸極電磁磁場起到增磁的作用，氣隙磁通密度增大。從圖8(c)中可以看出，當凸極電勵磁轉子通反向電流時，混合勵磁發電裝置氣隙中的磁通由雙徑向永磁磁場和凸極電磁磁場共同提供，只是此時的凸極電磁磁場起到削弱永磁磁場的作用，氣隙磁通密度減小。

由三維模型的仿真結果可知，通過調節凸極電勵磁繞組通電電流的大小和方向，可調節混合勵磁發電裝置氣隙磁通密度大小，從而達到穩定混合勵磁發電裝置輸出電壓的目的。

3 性能試驗

本文中設計的混合勵磁發電機額定電壓14V，額定功率1 000W，額定轉速4 000r/min。永磁材料選用釹鐵硼NTP30H[8-9]，其剩磁感應強度Br=1.12T，磁場強度Hc=790kA/m，最大磁能積(BH)max=224～256kJ/m3。在負載功率分別為950，1 000和1 050W的條件下，對新研制的汽車用永磁與電磁混合勵磁發電機從低轉速到高轉速進行性能試驗，結果見表3。

表3 發電機輸出電壓試驗結果

從表3可見，當發電機轉速由2 000變化到4 800r/min、負載功率由950變化到1 050W時，輸出電壓穩定在13.6～14.3V之間，該性能指標達到了設計要求。

4 結論

研制的混合勵磁發電機采用雙徑向永磁與凸極電磁并聯同軸、產生的磁場在氣隙中合成的組合式轉子，和轉子上的一個磁極對應定子鐵芯上4.5個齒的分數槽繞組定子組成。利用有限元分析軟件對混合勵磁發電機的磁場進行了建模與仿真，結果表明，凸極轉子電勵磁繞組通入大小和方向不同的電流，可改變氣隙中磁通密度的大小，使發電機輸出電壓保持穩定。試制樣機并進行臺架試驗可得，當發電機轉速由2 000變化到4 800r/min、負載功率由950變化到1 050W時，輸出電壓穩定在13.6～14.3V之間，發電機穩壓性能良好。然而穩壓控制器是發電裝置中不可缺少的重要部件，不同的發電機應配備專門的穩壓控制器，因此未來還需對其進行深入的研究，研制出適合該混合勵磁發電機的專門的穩壓控制器，以保障發電機輸出性能的穩定。

[1] 史立偉,張少洪,張學義.汽車電器[M].北京:國防工業出版社,2011:254.

[2] 張學義,史立偉.汽車用42V釹鐵硼永磁發電機穩壓分析[J].汽車工程,2011,33(11):994-997.

[3] 趙朝會,秦海鴻,張卓然,等.磁分路式徑向結構混合勵磁同步發電機的結構及原理分析[J].中國電機工程學報,2008,28(11):145-149.

[4] 張卓然,周競捷,嚴仰光,等.并聯結構混合勵磁同步電機的軸向漏磁及其影響[J].中國電機工程學報,2009,29(36):49-54.

[5] 張學義,史立偉.汽車用帶真空泵的稀土永磁穩壓發電機[J].汽車工程,2008,30(2):164-166.

[6] 李隆年,王寶玲,周汝潢.電機設計[M].北京:清華大學出版社,1992:115-116.

[7] 顔威利,徐桂芝.生物醫學電磁場數值分析[M].北京:機械工業出版社,2007:286.

[8] 田漢民.磁性材料[M].北京:清華大學出版社,2001:363.

[9] 唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京:機械工業出版社,2010:13-36.

Development of Hybrid Excitation Generator for Vehicles

Zhang Xueyi1, Du Qinjun2, Ma Shilun1, Xu Jinbin1& Geng Huihui1

1.SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049;2.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049

Hybrid excitation generator for vehicles has the advantages of both the small loss and high efficiency of permanent-magnet generators and the good magnetic regulation characteristic of electromagnetic generators， so has important application value in vehicle power system. In this paper, the compound rotor with parallel magnetic structure formed by double-radial permanent magnet and salient-pole electromagnet and the fractional slot winding stator with low high-order harmonic content and less eddy-current loss in gap magnetic field are designed. A model for hybrid excitation generator is established with simulation conducted using magnetic field FEA software. The results show that the generator can output stable voltage in wide ranges of speed and load by adjusting the magnitude and direction of excitation current in the electromagnetic winding of salient-pole rotor, and hence changing the magnetic field density in air gap.

vehicle; hybrid excitation generator; permanent magnet; electromagnet; parallel magnetic circuit

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.015

*國家自然科學基金(51507096)資助。

張學義，教授，E-mail:zhangxuyi@sdut.edu.cn。

原稿收到日期為2016年7月25日，修改稿收到日期為2016年9月25日。