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(fā)電機等參數(shù)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(tǒng)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(fā)電機模型)和Simplore兩個模塊，對車輛用交流爪極發(fā)電機的發(fā)電性能進行系統(tǒng)分析，來評價爪極發(fā)電機電磁參數(shù)的設計是否符合要求。

JFZ系列型號爪極交流發(fā)電機常用于12 V乘用車車載系統(tǒng)，為整車用電設備供電，同時為蓄電池充電。發(fā)電機的發(fā)電性能是整車用電匹配極其重要的技術參數(shù)，也是發(fā)電機產品設計最先關注的焦點。以往對發(fā)電機性能的調整是依據(jù)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(shù)，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(jīng)驗系數(shù)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(fā)電機模型

在Rmxprt模塊中所建立的爪極發(fā)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(shù)據(jù)，需要在Simplore軟件中進行整流和加負載的系統(tǒng)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(shù)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(shù)

表2 定子總成參數(shù)

表3 轉子總成參數(shù)

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(shù)字“1”表示的是角接;如果是星接，可將“1”改為“0”。

其他參數(shù)設置按表1～表3數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)電機元件，來搭建系統(tǒng)仿真電路，從而進行發(fā)電機的系統(tǒng)仿真分析。

2 建立系統(tǒng)仿真模型

Simplore是Ansoft的一個獨立的系統(tǒng)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(tǒng)級的仿真，還可以Mmaxwell2D/3D進行雙向或單向聯(lián)合仿真。

本文針對JFZxxxx發(fā)電機進行整流系統(tǒng)仿真計算，以求其發(fā)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(qū)。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(fā)電機整流系統(tǒng)仿真電路圖)布置即可。同時修改各元件參數(shù)。

表4 系統(tǒng)仿真元件參數(shù)

圖2 爪極發(fā)電機整流系統(tǒng)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(shù)為40。在瞬態(tài)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(fā)電機發(fā)電性能。

通過以上操作過程，可以得出發(fā)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(fā)電性能，即整流輸出電流平均值為71.8 A，其發(fā)電性能曲線如圖3所示。其他轉速的發(fā)電性能同樣按上述的方法操作獲得。

圖3 發(fā)電機整流輸出電流曲線

3 系統(tǒng)仿真分析數(shù)據(jù)與手工樣機試驗數(shù)據(jù)對比

通過Simplore的系統(tǒng)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(xiàn) 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(shù)，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(qū)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(jīng)計算，如表5所示。將仿真數(shù)據(jù)與手工樣機試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比

4 結語

爪極發(fā)電機具有結構緊湊，功率體密度高等優(yōu)點，被廣泛應用于汽車行業(yè)。其作用是將發(fā)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(shù)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(fā)動機通過皮帶傳動帶動發(fā)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(fā)電機電磁參數(shù)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(shù)中的某一數(shù)據(jù)反復分析調整，以獲取電機整體參數(shù)匹配的最優(yōu)方案。該方法不僅可以提高產品開發(fā)的效率，還可以減少物理樣機反復開發(fā)的修正次數(shù)，節(jié)約了開發(fā)成本，為產品盡快推向市場，提供了技術保障。