劉豪睿，衣豐艷，楊君

（1.德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023；2.山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250023）

前言

傳統(tǒng)電渦流緩速器已經(jīng)成為重型車輛和客車的關(guān)鍵配置，并有較多的相關(guān)論文發(fā)表[1-3]。電渦流緩速器需要汽車電池充電系統(tǒng)的至少10A的電流，將會(huì)引發(fā)潛在的問題，為此，自勵(lì)式電渦流緩速器的研發(fā)隨之成為熱點(diǎn)。Haijun設(shè)計(jì)了一種具有兩個(gè)轉(zhuǎn)子的自勵(lì)式緩速器[4]，并包含有一個(gè)內(nèi)置永磁發(fā)電機(jī)。Zhang設(shè)計(jì)了一種自勵(lì)式電磁液冷緩速器結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元法分別對(duì)該緩速器電磁場(chǎng)和制動(dòng)性能進(jìn)行分析，應(yīng)用有限體積法對(duì)緩速器瞬態(tài)流場(chǎng)-熱場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬[5]。Nian在自勵(lì)式緩速器中設(shè)計(jì)了一種無刷直流發(fā)電機(jī)[6]。楊效軍基于傳熱學(xué)理論和有限元對(duì)一種自勵(lì)式緩速器瞬態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值分析[7]。以上類型的自勵(lì)式電渦流緩速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難推廣到實(shí)際應(yīng)用。永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)多種多樣，不同結(jié)構(gòu)的永磁發(fā)電機(jī)性能各異[8]，而極槽數(shù)相近的外轉(zhuǎn)子集中繞組永磁同步發(fā)電機(jī)具有直驅(qū)性能好啟動(dòng)磁阻力矩小、高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、繞組利用率高以及工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等多種優(yōu)良性能[9-11]，非常符合低速易啟動(dòng)小功率和高效率的特性，因此本文針對(duì)將自勵(lì)式電渦流緩速器的發(fā)電機(jī)部分設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)。在已有文獻(xiàn)中，該種電機(jī)的技術(shù)資料較少，本文的目的是使用有限元發(fā)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真，并且同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證理論分析結(jié)果的可行性。

1 自勵(lì)式電磁緩速器結(jié)構(gòu)與工作原理

新型自勵(lì)式電磁緩速器由電渦流緩速器部分和外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。勵(lì)磁繞組和發(fā)電繞組固定在一起，轉(zhuǎn)子盤采用通風(fēng)式結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)的永久磁鐵同轉(zhuǎn)子盤連接。當(dāng)緩速器工作時(shí)，轉(zhuǎn)子軸拖動(dòng)轉(zhuǎn)子盤和永磁旋轉(zhuǎn)，發(fā)電線圈發(fā)出的電通過控制系統(tǒng)給勵(lì)磁繞組供電，提供勵(lì)磁電流的同時(shí)產(chǎn)生發(fā)電轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子盤表面切割磁力線，感應(yīng)出渦流電勢(shì)的同時(shí)產(chǎn)生電渦流制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

圖1 自勵(lì)式電渦流緩速器結(jié)構(gòu)

表1 電渦流緩速器的制動(dòng)力矩（勵(lì)磁電流55A）

由此可以計(jì)算發(fā)電機(jī)額定功率：PN= Pmax/λ式中λ為電機(jī)過載系數(shù)，本文發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的過載系數(shù)為2.5，則額定功率Pmax計(jì)算值為（24×55×2.5）kW=3.3kW，為了進(jìn)一步計(jì)算需求的電功率，必須要定義出系統(tǒng)器件的工作效率，在滿負(fù)載的情況下效率大約為95%，因此計(jì)算系統(tǒng)電功率需求約為3.5kW。

綜合各種永磁電機(jī)的性能并結(jié)合電渦流緩速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用6極18槽外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)。下面將從振動(dòng)與噪聲、電機(jī)重量、永磁體利用率及輸出電壓方面進(jìn)行分析。為了減少前期實(shí)驗(yàn)研發(fā)成本，將發(fā)電機(jī)與緩速器的設(shè)計(jì)并列進(jìn)行，即建立發(fā)電機(jī)的模型，通過方便的實(shí)驗(yàn)手段來驗(yàn)證模型仿真的結(jié)果是否正確。根據(jù)緊湊型高效發(fā)電機(jī)的開發(fā)要求，確定一款永磁同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)，其參數(shù)見表2。

表2 發(fā)電機(jī)性能參數(shù)

2 數(shù)值分析

由于永磁電機(jī)是對(duì)稱的模型，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，由于永磁發(fā)電機(jī)磁力線在其內(nèi)部徑向閉合，因此采用二維瞬態(tài)數(shù)值模擬即可對(duì)其電磁場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，并減少運(yùn)算時(shí)間。對(duì)永磁發(fā)電機(jī)部分模型的邊界條件采用反對(duì)稱周期邊界。圖2為發(fā)電機(jī)在ANSYS Maxwell中的數(shù)值模擬模型。

圖2 發(fā)電機(jī)數(shù)值模擬模型

當(dāng)發(fā)電機(jī)處于空載時(shí)，氣隙的磁通密度為1.6T左右。磁路設(shè)計(jì)在合理范圍之內(nèi)。

圖3 發(fā)電機(jī)空載磁密分布云圖

由于永磁發(fā)電機(jī)的外部負(fù)載為緩速器線圈，其阻值為 1歐姆，因此在數(shù)值模擬外電路中負(fù)載簡(jiǎn)化為1Ω電阻，模型設(shè)定轉(zhuǎn)速n=1500r/min。圖4為發(fā)電機(jī)負(fù)載磁密分布云圖，從圖中可以看出，發(fā)電機(jī)在負(fù)載情況下氣隙磁密為1.6T，驗(yàn)證發(fā)電機(jī)主體設(shè)計(jì)中，各部分磁密設(shè)計(jì)在合理范圍之內(nèi)。

圖4 發(fā)電機(jī)負(fù)載磁密分布云圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

通過獲得永磁發(fā)電機(jī)空載特性、負(fù)載特性以及外特性，用來驗(yàn)證發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)是否滿足緩速器要求，同時(shí)驗(yàn)證發(fā)電機(jī)是否滿足緩速器所需的功率要求。圖5為永磁發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。在圖6和圖7中，二維瞬態(tài)場(chǎng)計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以得到數(shù)據(jù)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。在測(cè)試負(fù)載特性時(shí)，負(fù)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(shí)需發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流最大為55A，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)滿足緩速器要求。

圖5 為永磁發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

圖6 空載情況下直流輸出電壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖7 負(fù)載情況下直流輸出電壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

4 結(jié)論

本文對(duì)一種自勵(lì)式電渦流緩速器的發(fā)電機(jī)部分進(jìn)行了分析，得出了電渦流緩速器永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，討論了滿足這些設(shè)計(jì)要求應(yīng)采取的設(shè)計(jì)，通過有限元仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，永磁發(fā)電機(jī)適應(yīng)電渦流所需的勵(lì)磁電流要求，增加同等條件下的制動(dòng)力矩，解決緩速器的獨(dú)立供電問題，減少對(duì)其它汽車電器的干擾，由此驗(yàn)證了本文分析的合理性。該分析過程和設(shè)計(jì)結(jié)果可以為后續(xù)該型自勵(lì)式電渦流緩速器的研發(fā)提供參考。

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