基于Ansoft汽车爪极发电机电磁分析与设计

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(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350116)

1 前言

爪极发电机体积小，成本低，在宽速范围内能有效发电，广泛用于汽车行业。为了满足运行及充电需求，爪极发电机定子设计成低电压大电流绕组，电枢反应明显，若磁路设计不合理，将造成高次谐波偏大，严重影响爪极发电机负载运行性能[1-3]。因此，分析研究其各工况运行磁场分布显得尤其重要。

爪极电机的转子结构使电机磁场呈三维分布，利用Ansoft软件建立爪极电机三维模型并进行有限元分析计算,为爪极电机设计提供选择参数依据[4-8]。文中利用傅里叶分解计算不同工况下气隙磁场和输出电压各次谐波分量大小，得知随着电枢电流增大，电枢反应使气隙磁场与输出电压中高次谐波分量增加，发电机电能质量变差。在后处理中，应用Maxwell场积分器计算主磁路磁势压降和磁密分布，进一步分析电机磁场分布情况，为优化设计提供参考。

本文就28V，2.2kW，8对极爪极发电机以RMxprt对其进行建模分析，在Maxwell 3D中生成并调整三维模型与实际结构一致。用Simplorer搭建外部整流电路与RMxprt电机模型联合分析计算，省时并直观地得到电机各工况运行时直流输出负载特性i=f(n)。Maxwell 3D计算结果与实测结果一致，验证了电机设计模型及有限元分析的正确性。

2 爪极电机运行机理

爪极发电机结构示意及主磁路如图1所示。励磁绕组通入直流电流产生磁极磁场，外力驱动转子旋转，磁极磁场随转子旋转切割定子三相绕组感应产生三相交流电。负载时，电枢电流产生电枢磁场，电枢磁场对磁极磁场作用，产生电枢反应，实现能量传递，气隙磁场畸变。

图1 爪极发发电机结构及主磁路

汽车爪极电机整流电路如图2所示，采用三相桥式全波整流，理想状态下整流后的直流电压为1.35倍电机线电压。发电机怠速时，蓄电池提供直流励磁。随转速增加，直至电机整流端电压大于蓄电池电压，励磁方式由他励变为自励，转子励磁由电机定子发电整流后供给，通过电压调节器调节励磁电流大小使系统输出直流电压稳定在28V左右。

图2 爪极电机整流电路

3 爪极电机建模与磁路分析

将电机设计参数输入到RMxprt对爪极发电机数学建模，在Maxwell 3D中生成三维模型并根据实际结构进行调整，电机主要参数如表1所示。

表1 爪极电机主要参数

爪极发电机磁场分布复杂使得磁路计算误差大，Ansoft有限元软件计算分析解决了这一问题。三维模型中建立辅助线示意如图3所示，在三维模型内部沿闭合磁路建立n段辅助线，后处理中利用场积分器沿i段辅助线方向对磁场强度积分得到主磁路上此段磁压降Fi：

(1)

根据安培环路定律，闭合磁路各段磁压降总和F1+F2+…+Fn应与所加励磁磁势Wfif相等：

Wfif=F1+F2+…+Fn

(2)

(3)

图3 三维模型及辅助线示意

空载6000r/min电机发出28V直流电压时，由Ansoft场积分器计算得各段磁路长度以及对应磁压降如表2所示。

表2 各段长度以及磁压降

由表2得到沿辅助线上闭合磁路磁压降总和F1+F2+…+Fn为84.03A与励磁绕组外加磁势Wfif84A基本相等，符合安培环路定律。在后处理中可以得到此工况各段辅助线上主磁路磁密分布如图4所示。借助有限元软件的计算分析，建立辅助线模型可以更直观精确地进行磁路计算，该分析结果为优化磁路设计提供参考。

4 爪极电机电枢反应研究

爪极电机磁场呈三维分布，空载时沿Z轴不同高度三条气隙辅助线L1、L2、L3位置如图5(a)所示。随着Z轴坐标变化，N极与S极的极弧系数大小变化相反，空载气隙磁场也随之变化，对应三条气隙辅助线上磁密分布如图5(b)所示。

图4 空载6000r/min时电机主磁路磁密分布

汽车爪极电机具有低电压大电流的特点，这使得电枢反应明显，电机磁场分布受到严重影响。空载6000r/min，负载2500r/min以及负载6000r/min三种工况下,Z=0处辅助线上气隙磁密分布如图6所示。

图5 空载不同高度气隙磁密分布比较

图6 不同工况气隙磁密分布

由图6可见，不同工况下电枢反应使得气隙磁密波形发生不同程度畸变，利用傅里叶分解计算得到各工况气隙磁密对应各次谐波分量大小如图7所示，可见：高次谐波增大是气隙磁密发生畸变主要原因。对应各工况气隙磁场分布云图如图8所示，由图8可见：三维空间上，电枢反应使气隙磁场靠近爪极两侧不对称分布。综上可知：不同工况下，随着电枢电流增大，电枢反应对气隙磁场作用越明显，气隙磁场高次谐波含量增大。

图7 不同工况气隙磁密谐波分解

电枢反应使气隙磁场发生畸变，因此对电机发出相电压大小和质量产生显著影响。空载6000r/min、负载2500r/min、负载6000r/min三种工况下，定子绕组相电势波形及对应工况下各次谐波大小如图9～11所示。比较图9(b)图11(b)可见：相电势基波幅值相同，图11(b)中由于电枢反应影响，其各次谐波明显增大。比较图10、图11可见，图11转速高，输出负载大，电枢电流大，电枢反应增强，高次谐波占比增大，电压杂波多。综上可知：输出负载电流增大，电枢反应越大，电机所发出电压中的高次谐波越明显，电枢反应是电能质量变差的主要根源。

图8 不同工况气隙磁场分布

图9 空载6000r/min相电势及各次谐波大小

图10 负载2500r/min相电势及各次谐波大小

图11 负载6000r/min相电势及各次谐波大小

5 爪极电机外电路及仿真研究

Simplorer是一款多域机电系统仿真分析软件，本文采用RMxprt电机模型与Simplorer软件联合仿真计算，对外电路特性进行分析研究。这样做虽然无法得到电机内部电磁场，但在研究输出特性上节省了大量仿真时间。将其计算结果与带有外电路的爪极电机三维模型在Maxwell 3D中的计算结果进行对比，验证了两种仿真计算结果的一致性。RMxprt模型在Simplorer中搭建的联合仿真线路如图12所示。

图12 RMxprt与Simplorer联合仿真线路

以计算负载6000r/min、时长10ms为例，RMxprt与Simplorer联合仿真计算用时10s左右，而一对极三维模型在Maxwell 3D有限元计算用时4h45min左右，联合仿真计算外电路特性有省时的优越性。

负载6000r/min工况下，RMxprt与Simplorer联合仿真计算及Maxwell 3D有限元计算电机线电压波形分别如图13所示。两种分析整流后输出的直流电压及电流分别如图14所示。

图13 两种仿真计算的线电压对比

两种计算稳态后的结果对比如表3所示。

图14 两种仿真计算输出直流电压及电流对比

联合仿真10s24.15V28.08V80.83A有限元仿真4h45min23.86V27.42V78.92A

可以看出：Maxwell 3D有限元计算模拟了电机启动时励磁电流阶跃突加的情况，所以启动时输出电压与电流发生波动。分析时取稳态后的值进行对比，两种仿真结果基本相同，而联合仿真调整电路参数方便，研究输出特性省时，适合爪极电机各个工况输出特性的研究。

6 爪极电机仿真与实验数据对比

根据以上设计分析，试制了一台28V爪极发电机并进行输出特性测试。测试过程始终保持负载输出电压为28V，样机负载特性实测结果及Ansoft计算如表4所示，对应输出特性如图15所示。

表4 实测与有限元计算输出电流对比及误差

图15 试制样机转子

图16 实测与有限元计算输出特性

可以看出样机测试与有限元分析计算得到的负载输出特性基本一致，输出电流最大误差为3.7%，Maxwell 3D计算与实测结果一致，验证了电机设计模型及有限元分析的正确性。

7 结论

本文对一台2.2kW，8对极汽车爪极发电机进行电磁分析与设计研究，应用Ansoft软件对磁路进行分析计算并通过傅里叶分解研究电枢反应对气隙磁场及电机相电势的影响，RMxprt与Simplorer联合仿真计算在对输出特性的研究上更加省时。样机测试结果与仿真设计输出特性一致，验证了有限元分析的正确性。本文中的分析方法与结论为进一步优化爪极电机参数、负载性能以及混合励磁爪极发电机设计提供一定理论基础和实用参考。

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