崔天翔，莊圣賢，周 娟，李小龍

(1.西南交通大學(xué),成都 610031;2.華川電裝有限責(zé)任公司,成都 610106)

0 引 言

磁電機(jī)作為摩托車的點(diǎn)火系統(tǒng)，與發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸直接相連，隨曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，并經(jīng)過(guò)整流橋及調(diào)壓電路調(diào)節(jié)輸出電壓，用于車上照明、蓄電池充電或者其它負(fù)載。

在已有的文獻(xiàn)中對(duì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)的介紹主要是從路算法入手[1]，一些參數(shù)的取舍主要依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和磁路的等效；而對(duì)設(shè)計(jì)方案中各組不確定的電磁參數(shù)，也都是采用傳統(tǒng)的方法，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。在實(shí)際操作中，每一種方案就對(duì)應(yīng)著一款實(shí)際的電機(jī)，不僅開(kāi)發(fā)成本高，而且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，同時(shí)由于參數(shù)的不確定性，在反復(fù)修改參數(shù)驗(yàn)證輸出性能時(shí)，會(huì)給資源造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。

針對(duì)這種情況，本文應(yīng)用電磁場(chǎng)有限元分析技術(shù)，利用專業(yè)電磁場(chǎng)分析軟件Ansoft，仿真分析電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)分布規(guī)律，以及交流電機(jī)輸出特性規(guī)律，不僅提高設(shè)計(jì)效率和可靠性，更能降低成本，大大縮短新型電機(jī)的開(kāi)發(fā)周期。其具體方案：(1)針對(duì)某一型號(hào)電機(jī)查找資料，完成方案論證；(2)選用電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft作為分析工具；(3)建立仿真模型，進(jìn)行仿真分析計(jì)算；(4)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析；(5)總結(jié)完善設(shè)計(jì)資料。

本文主要通過(guò)對(duì)成都華川電裝有限責(zé)任公司生產(chǎn)的一款磁電機(jī)進(jìn)行建模與仿真，如圖1所示，分析其輸出特性，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型及仿真結(jié)果的正確性和有效性。

(a) 定子

(b) 轉(zhuǎn)子

圖1磁電機(jī)實(shí)物圖

1 磁電機(jī)與磁電機(jī)的建模

此型號(hào)磁電機(jī)是一款6對(duì)極18齒的旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)，即每極下平均分有1.5個(gè)齒。轉(zhuǎn)子上均勻分布有12片材料為釹鐵硼的磁瓦；定子繞組是△連接，如圖2所示。每條邊上有6個(gè)繞組串聯(lián)，其中LA,B,C和RA,B,C分別是A,B,C三相繞組串聯(lián)的等效電感與等效電阻，通過(guò)不可控全橋整流電路與外電路相連接，如圖3所示。

圖2定子繞組連接

圖3磁電機(jī)通過(guò)整流橋與外電路的連接形式

在不裝設(shè)定子的情況下，沿轉(zhuǎn)子內(nèi)表面的磁密B應(yīng)為對(duì)稱分布的交變的磁密波形；而在定子存在的情況下，因?yàn)槊繕O下的定子齒數(shù)分布的不均勻，導(dǎo)致氣隙磁密會(huì)發(fā)生畸變，但是沿氣隙的總的磁通量Φ不會(huì)改變。由式(1)可知[2]，在不考慮磁飽和時(shí)，Ea的大小只與轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以在不同轉(zhuǎn)速時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea大小不一樣，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻R的阻值使外電路兩端的電壓維持在14 V。其他一些調(diào)壓方式在文獻(xiàn)[3-4]中已詳細(xì)敘述，在此不再贅述。

Ea=CeΦn

(1)

式中：Ce=pZa/(60a=)是電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；Φ表示每極的總磁通量；p為極對(duì)數(shù)；Za為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)；a=是并聯(lián)支路數(shù)。

根據(jù)公司提供的電磁參數(shù)，分別在Ansoft中建立二維電機(jī)模型和連接繞組激勵(lì)外電路，如圖4所示，通過(guò)將外電路加載到仿真模型的繞組激勵(lì)上進(jìn)行暫態(tài)仿真分析。從圖4(a)可以看出，在轉(zhuǎn)子上有12個(gè)永磁極緊貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)表面，定子有18個(gè)齒，短距集中繞組；圖4(b)的連接方式就是圖2和圖3的等效合并，電壓表測(cè)得的是外部輸出直流電壓，針對(duì)此型號(hào)電機(jī)直流電壓恒為14 V，電流表顯示流經(jīng)外電路的電流值。

(a) 磁電機(jī)二維模型

(b) 外電路連接方式

圖4Ansoft中的電機(jī)模型

2 磁電機(jī)靜態(tài)磁場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

將分析場(chǎng)類型設(shè)置為Magnetostatic(穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng))，在無(wú)定子和有定子兩種情況下對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行仿真分析，其氣隙磁密波形和磁鏈分布如圖5所示。

由圖5(a)和圖5(b)可以看出，在不加定子的情況下，氣隙磁密沿永磁極表面分布均勻，而在有定子存在時(shí)，氣隙磁密不再沿永磁極表面均勻分布。由圖5(c)和圖5(d)對(duì)比可知，在沒(méi)有定子時(shí)，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部磁導(dǎo)率相同，以致磁通密度沿轉(zhuǎn)子內(nèi)部均勻的分布；而有定子存在時(shí)，由于每一個(gè)極下的定子齒分布不均勻，假設(shè)N極磁鋼的中心軸線正對(duì)一個(gè)定子齒的中心軸線，而在下一個(gè)S極就會(huì)出現(xiàn)磁鋼中心軸線正對(duì)兩個(gè)齒之間的中心軸線，磁通又總是沿著磁導(dǎo)率較高的磁路分布。從圖中可以看出在定子齒上的磁通密度很大，而在氣隙中則相對(duì)為0。所以由磁鏈分布可以看出，定子存在時(shí)，由于定子齒在每極下分布不均勻而導(dǎo)致氣隙磁密發(fā)生畸變，不再是均勻分布的平頂波形。在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，如若設(shè)置定子齒數(shù)比較多，則在一個(gè)磁極下氣隙磁密分布比較均勻，可以減少電機(jī)在工作中的振動(dòng)與噪聲。但是，齒數(shù)過(guò)多又會(huì)造成機(jī)械強(qiáng)度的下降與磁路的飽和，應(yīng)綜合考慮。

(a) 無(wú)定子氣隙磁通密度

(b) 有定子氣隙磁通密度

(c) 無(wú)定子氣隙磁鏈分布

(d) 有定子氣隙磁鏈分布

圖5有無(wú)定子情況下的靜態(tài)磁場(chǎng)仿真

3 磁電機(jī)動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

將分析場(chǎng)類型設(shè)置為Transient(動(dòng)態(tài)磁場(chǎng))，轉(zhuǎn)速分別為1000r/min，2000r/min，5000r/min和8000r/min的4種狀態(tài)下，整流橋輸出電壓恒等于14 V，其仿真結(jié)果如圖6和表1所示。

圖64種轉(zhuǎn)速情況下的氣隙磁密波形對(duì)比

表14種轉(zhuǎn)速情況下感應(yīng)電壓及外電路電流

轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)外電路電流i/A感應(yīng)電壓u/VA相B相C相100040．398821．779423．766419．8318200052．873724．916724．831824．8108500054．876827．984627．996128．3703800053．783531．666331．664031．9075

由圖6分析可知，磁鋼一定，沿氣隙表面的總磁通密度不變，定子存在時(shí)氣隙磁密會(huì)發(fā)生畸變，但是在不同轉(zhuǎn)速時(shí)，氣隙磁通分布波形相差不大，并且與均勻的氣隙磁密相比較，其波形和X軸所包圍的面積，即總的磁通量Φ不變。所以由式(1)可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea的大小只與轉(zhuǎn)速成正比，按照表1繪制出4種狀態(tài)時(shí)A相的感應(yīng)電壓u與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系如圖7中實(shí)線所示，可以看作是一條斜率一定的直線，與理論分析相符；外電路電流i隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖7中虛線所示。在低速時(shí)輸出電流比較小，在轉(zhuǎn)速增大之后，通過(guò)外電路可變電阻的調(diào)節(jié)，電壓恒定，輸出電流也基本不變，其輸出特性曲線如圖8所示。

圖7A相感應(yīng)電壓及輸出電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖8磁電機(jī)的輸出特性曲線

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

表2 是對(duì)該型號(hào)磁電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，在各轉(zhuǎn)速下誤差分別為2.54%，5.33%，3.54%，2.25%，其精度滿足≤10%的要求。

表2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)標(biāo)準(zhǔn)I/A實(shí)測(cè)電流值i/A仿真電流值i/A精度1000≥3839．440．39882．54%2000≥4850．252．87375．33%5000≥4853．054．87683．54%8000≤5552．653．78352．25%

5 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用電磁仿真軟件Ansoft對(duì)電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)分析，不僅能正確有效的得到電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)可靠數(shù)據(jù)資料和電機(jī)的輸出特性，還能夠在電機(jī)設(shè)計(jì)和性能測(cè)試中大大縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

[1] 李家國(guó),葛維晶,張立鵬.摩托車用磁電機(jī)設(shè)計(jì)程序[J].微特電機(jī),2004,32(6):13-15.

[2] 湯蘊(yùn)璆,羅應(yīng)立,梁艷萍.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:91-93.

[3] 周芮凱.摩托車用磁電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)(一)[J].摩托車技術(shù),1993(6):5-9.

[4] 周芮凱.摩托車用磁電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)(二)[J].摩托車技術(shù),1994(1):9-11.