曹金祥，岳峰麗

（沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159）

混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)空載漏磁計(jì)算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

曹金祥，岳峰麗

（沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159）

為研究不同結(jié)構(gòu)變量對(duì)混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響，利用JMAG三維電磁場(chǎng)有限元軟件，分析在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下空載漏磁系數(shù)，并設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明，混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)空載漏磁系數(shù)與定子內(nèi)徑和爪極根部厚度呈正增長關(guān)系，與定子外徑和定子鐵心有效長度呈負(fù)增長關(guān)系，與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑幾乎無正負(fù)增長關(guān)系。這為爪極發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)、漏磁分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。

爪極發(fā)電機(jī)；混合勵(lì)磁；空載漏磁；最優(yōu)結(jié)構(gòu)

0 引 言

近年來，隨著新能源汽車市場(chǎng)的持續(xù)火爆，以及人們對(duì)汽車舒適性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面的要求越來越高，使得汽車上的電子設(shè)備不斷增加，傳統(tǒng)的電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)已不能滿足供電要求[1-2]，亟需研制出高輸出功率的發(fā)電機(jī)。本文設(shè)計(jì)一種特殊結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)，其氣隙磁場(chǎng)由電勵(lì)磁和永磁勵(lì)磁并聯(lián)共同提供，轉(zhuǎn)子的兩個(gè)爪極間放有切向充磁的釹鐵硼永磁體，取消電刷結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)明顯不同，混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的定子與機(jī)殼之間無隔磁層，磁通不通過端蓋與機(jī)殼，磁路比較短，且其中的磁場(chǎng)不會(huì)干擾四周的電子裝置[3-4]。

目前，國外學(xué)者已對(duì)混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的電磁場(chǎng)性能、噪聲振動(dòng)、動(dòng)態(tài)仿真及渦流損耗等做了相關(guān)分析和研究[5-9]。國內(nèi)學(xué)者對(duì)多種結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，如利用三維有限元方法對(duì)串聯(lián)磁路混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)和磁鋼厚度進(jìn)行優(yōu)化[10]，但此電機(jī)的串聯(lián)磁路會(huì)使永磁體不可逆退磁；建立一種并聯(lián)磁路的混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的等效磁路模型，仿真分析得到氣隙磁密與各參數(shù)之間的變化關(guān)系曲線[11]，但此電機(jī)沒有實(shí)現(xiàn)無刷化，工作可靠性不高；計(jì)算一種混合勵(lì)磁無刷爪極發(fā)電機(jī)的電感參數(shù)[12]，盡管此電機(jī)的磁路是并聯(lián)關(guān)系，且實(shí)現(xiàn)了無刷化，但其定子與殼體間放有隔磁層，磁通會(huì)通過端蓋和機(jī)殼干擾四周的電子裝置。本文采用日本JSOL公司開發(fā)的JMAG三維電磁場(chǎng)有限元軟件，分析在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下并聯(lián)磁路混合勵(lì)磁無刷爪極發(fā)電機(jī)空載漏磁系數(shù)，并設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)有限元分析

1.1 三維電磁場(chǎng)有限元計(jì)算的基本原理

在靜態(tài)場(chǎng)中，電機(jī)的磁場(chǎng)可看作三維恒定磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H 和電流密度J 滿足安培環(huán)路定律，即：

根據(jù)Maxwell方程，可知：

其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

又由于H=B/μ，μ為磁導(dǎo)率，因而可得：

再根據(jù)B=·A，可得：

其中A為矢量磁位。由于磁阻率v=1/μ，故（4）式可表示為：

最后根據(jù)能量最小原理和高斯定理，求出矢量磁位A，繼而求得磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H等物理量。

1.2 三維模型的建立及網(wǎng)格模型的劃分

參照電機(jī)主要參數(shù)（見表1），建立電機(jī)三維實(shí)體模型（見圖1）。電機(jī)三維實(shí)體模型主要由定子、爪極式轉(zhuǎn)子、電樞繞組等組成。定子由有槽鐵心和三相對(duì)稱繞組組成，與普通三相交流發(fā)電機(jī)相同，一般采用星型聯(lián)接。爪極式轉(zhuǎn)子由兩個(gè)焊接在一起的爪極、勵(lì)磁繞組、磁軛、永磁體及轉(zhuǎn)子軸等結(jié)構(gòu)組成[13]。其中，定子和爪極材料為軟磁50JN1300硅鋼片，疊片系數(shù)為0.98，勵(lì)磁繞組和電樞繞組材料為銅導(dǎo)線，永磁體型號(hào)為NEOMAX-42的燒結(jié)釹鐵硼，剩磁Br為1.28T，最大磁能積 (B×H )max為322KJ/m3，磁感矯頑力Hcb為1 000KA/m，內(nèi)稟矯頑力Hcj為955KA/m。

表1 混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

圖1 混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)三維實(shí)體模型

由于爪極轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其磁路復(fù)雜、不規(guī)則，具有明顯的三維特性，利用傳統(tǒng)的等效磁路法難以保證計(jì)算精度，因而采用計(jì)算精度高的三維有限元方法進(jìn)行分析求解[14-15]。利用JMAG三維電磁場(chǎng)有限元軟件，通過對(duì)模型賦予材料、設(shè)置電路、添加邊界條件及求解設(shè)置等操作后，得到電機(jī)有限元網(wǎng)格模型（見圖2），計(jì)931 377個(gè)單元、273 028個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)有限元網(wǎng)格模型

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空載漏磁的影響

在勵(lì)磁電流為5A、額定轉(zhuǎn)速為4 000r/min的條件下，改變定子內(nèi)徑、定子外徑、定子鐵心有效長度、轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑和爪極根部厚度5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在JMAG電磁場(chǎng)軟件中分別建立電機(jī)模型，并進(jìn)行空載仿真分析，計(jì)算出總磁通和有效磁通，最終可得每個(gè)變量下空載漏磁系數(shù)。

當(dāng)定子內(nèi)徑逐漸增加，即氣隙逐漸增大時(shí)，其對(duì)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響見表2。由表2可知，總磁通和有效磁通均減少許多，空載漏磁系數(shù)反而增加，即空載漏磁系數(shù)與定子內(nèi)徑呈正增長關(guān)系。

當(dāng)定子外徑逐漸增加時(shí)，其對(duì)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響見表3。由表3可知，總磁通和有效磁通均增加許多，空載漏磁系數(shù)反而減小，即空載漏磁系數(shù)與定子外徑呈負(fù)增長關(guān)系。

當(dāng)定子鐵心有效長度逐漸增加時(shí)，其對(duì)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響見表4。由表4可知，總磁通和有效磁通均增加許多，空載漏磁系數(shù)反而減小，即空載漏磁系數(shù)與定子鐵心有效長度呈負(fù)增長關(guān)系。

當(dāng)轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑逐漸增加時(shí)，其對(duì)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響見表5。由表5可知，總磁通和有效磁通的變化微乎其微，漏磁系數(shù)的變化也微乎其微，即空載漏磁系數(shù)與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑幾乎無正負(fù)增長關(guān)系。

當(dāng)爪極根部厚度逐漸增加時(shí)，其對(duì)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響見表6。由表6可知，總磁通和有效磁通均增加許多，空載漏磁系數(shù)也隨之增加，即空載漏磁系數(shù)與爪極根部厚度呈正增長關(guān)系。

表2 定子內(nèi)徑對(duì)混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響

表3 定子外徑對(duì)混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響

表4 定子鐵心有效長度對(duì)混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響

表5 轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑對(duì)混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響

表6 爪極根部厚度對(duì)混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響

2 混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下空載漏磁系數(shù)變化情況，可得到優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)所需的目標(biāo)函數(shù)、參數(shù)及約束邊界條件，再設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，最終可得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 優(yōu)化表達(dá)式

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)f(x)為：當(dāng)合理選擇電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，使電機(jī)的有效磁通量最大、漏磁通最小，即電樞繞組所匝鏈的磁鏈最大。選擇需要優(yōu)化的參數(shù)，即定子內(nèi)徑d、定子外徑D、定子鐵心有效長度l、轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑c和爪極根部厚度h為設(shè)計(jì)變量，約束邊界條件是每個(gè)設(shè)計(jì)變量的最大值和最小值。確定上述優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化參數(shù)和約束邊界條件后，得到優(yōu)化表達(dá)式為：

2.2 設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)

把影響電機(jī)輸出性能的5個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)當(dāng)作5個(gè)因素，每個(gè)因素取4個(gè)水平，可得到電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)水平（見表7）。由表7建立一個(gè)L16(45)的正交試驗(yàn)（見表8），對(duì)16組結(jié)構(gòu)參數(shù)在JMAG電磁場(chǎng)軟件中建模仿真分析，最后得到極差分析結(jié)果。

表8中，S(i=1, 2, 3, 4)為同一水平之和；A(i=1,ii2, 3, 4)為同一水平的平均值；R為極差，等于max (A)i減去min (A)，R值越大，表示該因素的變化對(duì)電機(jī)性i能影響越大，因素越重要。由此計(jì)算出最優(yōu)結(jié)構(gòu)下磁鏈為0.036 82Wb，大于未優(yōu)化前的16組值，證明所選結(jié)構(gòu)為最優(yōu)組合。

表7 混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)水平 mm

3 結(jié) 論

計(jì)算混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)時(shí)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下總磁通和有效磁通，繼而求出漏磁系數(shù)，并設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明，混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)空載漏磁系數(shù)與定子內(nèi)徑和爪極根部厚度呈正增長關(guān)系，與定子外徑和定子鐵心有效長度呈負(fù)增長關(guān)系，與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑幾乎無正負(fù)增長關(guān)系。這為爪極發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)、漏磁分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等提供了相關(guān)理論參考，對(duì)改善汽車發(fā)電機(jī)的輸出性能、提高其功率和效率具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

表8 混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)正交試驗(yàn)結(jié)果

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[責(zé)任編輯：石品德]

Calculation and Structure Optimization of Mixed Excitation Claw Pole Generator No-load Leakage

CAO Jinxiang, YUE Fengli
(School of Automotive & Transportation, Shenyang Li Gong University, Shenyang, 110159, China)

In order to study the effect of different structural variables on the coefficient of mixed excitation claw pole generator no-load leakage, efforts have been made to use JMAG 3D electromagnetic f eld f nite element software to analyze the no-load leakage coefficient with different structural parameters, and to design orthogonal experiment and then determine the optimum structural parameters. As the result demonstrates there exists a positive growth relation between mixed excitation claw pole generator no-load leakage coef f cient and stator inner diameter, and the root thickness of claw pole while there exists negative growth relation between stator outside diameter and the effective length of stator core. But neither positive nor negative growth relation is revealed between that and rotor core inner diameter. This study is helpful for parameter designing of claw pole gener ator, leakage analysis and structure optimization as theoretical and practical experience.

Claw pole generator; Mixed excitation; No-load leakage; Optimum structure

TM31

A

1671-4326 (2017) 01-0048-05

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2017.011

2016-07-21

曹金祥（1992—），男，遼寧大石橋人，沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院碩士研究生；岳峰麗（1970—），女，遼寧沈陽人，沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院副教授，碩士.