汽车混合励磁发电机的开发*

张学义,杜钦君,马世伦,徐进彬,耿慧慧

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院,淄博 255049； 2.山东理工大学电气与电子工程学院,淄博 255049)



汽车混合励磁发电机的开发*

张学义1,杜钦君2,马世伦1,徐进彬1,耿慧慧1

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院,淄博 255049； 2.山东理工大学电气与电子工程学院,淄博 255049)

汽车用混合励磁发电机既具有永磁发电机损耗小、效率高的优点，又具有电励磁发电机良好的电磁调节特性，在汽车电源系统中有着重要的应用价值。本文中设计出双径向永磁与凸极电磁形成并联磁路结构的组合式转子，以及气隙磁场中的高次谐波含量低、定子铁芯涡流损耗少的分数槽绕组定子。利用磁场有限元分析软件对混合励磁发电机磁场进行了建模和仿真，结果表明，通过调节通入凸极转子电励磁绕组电流的大小和方向、进而调节气隙中磁场密度，混合励磁发电装置可在宽转速、宽负载范围内输出稳定的电压。

汽车；混合励磁发电装置；永磁；电磁；并联磁路

前言

发电机是汽车电源系统的关键部件，随着汽车电气设备日臻完善，用电量不断增大，原有的硅整流发电机和永磁发电机已经不能满足现代汽车电气设备对用电量的要求。硅整流发电机由电励磁绕组产生磁场，通过电励磁绕组的电能大部分由于励磁线圈发热而消耗掉，励磁线圈中只有部分电能转换为用于发电的磁能，电能消耗大[1]。永磁发电机由永磁钢产生磁场，无电励磁绕组，结构简单、运行可靠，但鉴于国内永磁发电机的研制水平有限，存在电机磁特性难以调节、输出电压难以稳定等问题，主要应用于需求发电机功率比较小的车辆上[2]。永磁与电磁混合励磁发电机既具有永磁发电机高功率密度、高效率、高可靠性的优点，又具有电励磁发电机良好的调整特性[3-4]，非常适应于现代汽车电源系统中的发电装置。

混合励磁发电机主要分为串联磁路式、并联磁路式和混联磁路式3种结构形式，其中串联磁路式永磁磁路与电励磁磁路串联，电励磁磁场将直接作用于永磁体，磁阻大，复杂工况下易引起永磁体的不可逆退磁；混联磁路式永磁磁场和电励磁磁场既有串联部分，又有并联部分，只有部分电励磁磁场直接通过永磁体，通常不会产生永磁体永久退磁现象，但结构较为复杂，磁场耦合较多；本文中设计的混合励磁发电机采用并联式结构，该结构永磁磁场与电励磁磁场在各自磁路上并联，在主气隙中合成，电励磁磁场不直接经过永磁体，磁场间耦合小。永磁转子采用双径向内嵌式结构，两径向永磁磁场互为补充，磁场分布均匀，气隙磁通密度高；电励磁转子采用传统的凸极式结构，简单、可靠；定子采用分数槽绕组，降低了磁场中高次谐波含量和涡流损耗，提高了发电效率。本文中设计的混合励磁发电机结构形式先进，具有良好的研究价值和使用价值。

1 混合励磁发电装置主要参数确定

永磁与电磁混合励磁发电机主要为汽车用电设备提供电能，并给蓄电池充电，结构示意图如图1所示，主要技术指标见表1。

1.1 双径向永磁转子

瓦片形永磁钢由非导磁螺钉通过极靴固定在转

表1 混合励磁发电机主要技术指标

子磁轭上，与嵌入转子铁芯矩形槽中的矩形永磁钢组成双径向永磁转子，瓦片形永磁钢和矩形永磁钢的截面共同为气隙提供每极磁通，提高发电机的气隙磁通密度。双径向永磁转子结构图如图2所示。

图2 双径向永磁转子结构示意图

根据经验公式计算永磁钢体积[5]：

(1)

式中：PNY为混合励磁发电机中的永磁发电机的功率；σ0为漏磁系数；Kad为将直轴电枢磁动势折算到转子磁动势的折算系数；KF为发电机短路时每对磁极的永磁钢磁动势为直轴电枢磁动势的倍数；f为发电机频率；Ku为电压波形系数；KB为气隙磁通的波形系数；C为最大磁能利用系数；(BH)max为最大磁能积。

根据转子结构的几何约束条件(见图3)确定永磁钢的具体尺寸。

图3 永磁钢几何约束条件

由图3可知，本设计中发电机定子铁芯半径Rs0和转子铁芯半径Rr0是一定的，永磁钢厚度受多个几何约束的限制：

0

(2)

hm1

(3)

(4)

式中：bm1为瓦片形永磁钢厚度；bP为极靴厚度；δ为气隙长度；θ为隔磁气隙Ⅱ到轴中心的夹角；hm1为瓦片形永磁钢宽度的一半；hm2为矩形永磁钢宽度；Rz为轴半径；t1为非导磁衬套厚度；t2为非导磁衬套凸起长度；t3为矩形永磁钢到转子铁芯边缘的距离。

计算得永磁钢的尺寸如表2所示。

表2 永磁钢主要尺寸

1.2 凸极电励磁转子

对电励磁转子磁场的要求是根据负载电流的变化产生附加的空载感应电动势，以补偿永磁发电机因负载电流变化而引起的电压变化，使混合励磁发电机输出电压保持稳定。凸极电励磁转子结构图如图4所示。

图4 凸极电励磁转子结构图

1.2.1 确定磁极形状

在凸极式发电机的设计中，对气隙磁密波形有明确要求，希望尽可能为正弦分布，才能使发电机输出电压为正弦波，但由于凸极发电机为集中励磁绕组，其磁势分布为矩形波，所以凸极发电机一般不做成均匀气隙[6]。设计时将磁极中心线处气隙做成最小值为δmin，对应磁极极尖处为气隙最大值δmax，凸极发电机磁极形状图如图5所示。

图5 凸极发电机磁极形状

当δmax∶δmin=1.5∶1时，气隙磁密波形非常接近正弦波。若δmax∶δmin的比值偏小，气隙磁密波形呈脉冲形，比值过大则相邻极靴间转子漏磁通增加，引起转子磁路饱和。而极身宽度bm太小，极身磁密易饱和，若bm太大放置电励磁绕组的空间过于狭小，bm由下式确定：

(5)

式中：Bg为气隙磁通密度正弦波的峰值；τ为转子极距；l为凸极转子铁芯长度；σm为磁极漏磁系数；Km为转子冲片叠压系数；lm为转子极身轴向长度；Bm为转子极身磁密控制使用值。

式(5)中的分子为转子每极磁通量，分母为单位极身宽度对应极身面积允许通过的磁通量。计算得极身宽度bm=11mm。

转子极身高度hm应满足电励磁绕组总截面积的设计要求，hm太小励磁绕组放置空间过于紧张。本文中取转子极身高度hm=22mm。

1.2.2 电励磁绕组匝数计算

电励磁绕组缠绕在转子铁芯的凸极上，相邻两个绕组的缠绕方向相反，匝数相同，在相邻的两个凸极表面形成N极、S极间隔排列的电励磁转子。

由克希荷夫第二定律∑HL=∑NI得

(6)

式中：B0，B1和B2分别为气隙、硅钢片和转子铁芯中的磁感应强度；l0，l1和l2分别为气隙、硅钢片和转子铁芯的磁路长度；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m；μr1和μr2分别为硅钢片和转子铁芯的相对磁导率；Nl为电励磁绕组匝数；Il为电励磁绕组电流。

计算得Nl=1014.5，即每极匝数为126.8匝，本文中取电励磁绕组每极匝数Nl=130匝。

按式(7)计算电励磁绕组导线直径dl：

(7)

式中J为电励磁绕组导线电流密度。

计算得dl=0.48mm，本文中取dl=0.51mm。

1.3 定子结构设计

混合励磁发电机的定子设计为3相8极36槽，每个转子磁极对应4.5个定子齿的分数槽绕组结构，这样不仅降低了发电机气隙磁场中的高次谐波含量，减少定子铁芯涡流损耗，而且使整个转子的静磁力达到最小，发电机的起动阻力矩降低，本文中定子槽型选为梨形槽，如图6所示，分数槽绕组原理图如图7所示。

图6 定子槽型图

图7 分数槽绕组原理图

1.3.1 电枢绕组每相串联匝数Ns

Ns=E0/(4.44fKwΦδ0)

(8)

式中：E0为空载感应电动势；Kw为电枢绕组系数；Φδ0为空载时通过电枢绕组的有效磁通量。

计算得Ns=48。

1.3.2 电枢绕组导线直径ds

电枢绕组导线直径ds按式(9)算得的导线截面积计算：

(9)

式中：ACu为导线截面积；IN为额定相电流；a为并联支路数，a=1。

本文中取导线直径为ds=1.75mm。

2 混合励磁发电装置磁场仿真分析

根据麦克斯韦方程组建立磁场分析数学模型[7]：

(10)

上述方程组中，场量之间的关系为：D=εE，B=μH，J=σE。

由以矢量磁位A为场变量函数的波动方程和以标量位函数φ为场变量函数的波动方程得到电磁场的波动方程为

(11)

接着构建几何模型，定义并分配材料属性，加载激励源与边界条件，最后求解选项参数并进行后处理。

当凸极电励磁转子不通电流、通正向电流和通反向电流时，获得混合励磁发电机转子的磁通密度模值图和磁通密度矢量图如图8所示。

图8 混合励磁发电机转子静态场图

从图8(a)中可以看出，当凸极电励磁转子不通电流时，永磁与电磁混合励磁发电装置气隙中的磁通仅由双径向永磁磁场提供，气隙磁通密度较小。从图8(b)中可以看出，当凸极电励磁转子通正向电流时，混合励磁发电装置气隙中的磁通由双径向永磁磁场和凸极电磁磁场共同提供，凸极电磁磁场起到增磁的作用，气隙磁通密度增大。从图8(c)中可以看出，当凸极电励磁转子通反向电流时，混合励磁发电装置气隙中的磁通由双径向永磁磁场和凸极电磁磁场共同提供，只是此时的凸极电磁磁场起到削弱永磁磁场的作用，气隙磁通密度减小。

由三维模型的仿真结果可知，通过调节凸极电励磁绕组通电电流的大小和方向，可调节混合励磁发电装置气隙磁通密度大小，从而达到稳定混合励磁发电装置输出电压的目的。

3 性能试验

本文中设计的混合励磁发电机额定电压14V，额定功率1 000W，额定转速4 000r/min。永磁材料选用钕铁硼NTP30H[8-9]，其剩磁感应强度Br=1.12T，磁场强度Hc=790kA/m，最大磁能积(BH)max=224～256kJ/m3。在负载功率分别为950，1 000和1 050W的条件下，对新研制的汽车用永磁与电磁混合励磁发电机从低转速到高转速进行性能试验，结果见表3。

表3 发电机输出电压试验结果

从表3可见，当发电机转速由2 000变化到4 800r/min、负载功率由950变化到1 050W时，输出电压稳定在13.6～14.3V之间，该性能指标达到了设计要求。

4 结论

研制的混合励磁发电机采用双径向永磁与凸极电磁并联同轴、产生的磁场在气隙中合成的组合式转子，和转子上的一个磁极对应定子铁芯上4.5个齿的分数槽绕组定子组成。利用有限元分析软件对混合励磁发电机的磁场进行了建模与仿真，结果表明，凸极转子电励磁绕组通入大小和方向不同的电流，可改变气隙中磁通密度的大小，使发电机输出电压保持稳定。试制样机并进行台架试验可得，当发电机转速由2 000变化到4 800r/min、负载功率由950变化到1 050W时，输出电压稳定在13.6～14.3V之间，发电机稳压性能良好。然而稳压控制器是发电装置中不可缺少的重要部件，不同的发电机应配备专门的稳压控制器，因此未来还需对其进行深入的研究，研制出适合该混合励磁发电机的专门的稳压控制器，以保障发电机输出性能的稳定。

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Development of Hybrid Excitation Generator for Vehicles

Zhang Xueyi1, Du Qinjun2, Ma Shilun1, Xu Jinbin1& Geng Huihui1

1.SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049;2.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049

Hybrid excitation generator for vehicles has the advantages of both the small loss and high efficiency of permanent-magnet generators and the good magnetic regulation characteristic of electromagnetic generators， so has important application value in vehicle power system. In this paper, the compound rotor with parallel magnetic structure formed by double-radial permanent magnet and salient-pole electromagnet and the fractional slot winding stator with low high-order harmonic content and less eddy-current loss in gap magnetic field are designed. A model for hybrid excitation generator is established with simulation conducted using magnetic field FEA software. The results show that the generator can output stable voltage in wide ranges of speed and load by adjusting the magnitude and direction of excitation current in the electromagnetic winding of salient-pole rotor, and hence changing the magnetic field density in air gap.

vehicle; hybrid excitation generator; permanent magnet; electromagnet; parallel magnetic circuit

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.015

*国家自然科学基金(51507096)资助。

张学义，教授，E-mail:zhangxuyi@sdut.edu.cn。

原稿收到日期为2016年7月25日，修改稿收到日期为2016年9月25日。