基于Ansoft的磁电机建模与仿真分析

崔天翔，庄圣贤，周 娟，李小龙

(1.西南交通大学,成都 610031;2.华川电装有限责任公司,成都 610106)

0 引 言

磁电机作为摩托车的点火系统，与发动机的曲轴直接相连，随曲轴旋转产生电能，并经过整流桥及调压电路调节输出电压，用于车上照明、蓄电池充电或者其它负载。

在已有的文献中对磁电机设计的介绍主要是从路算法入手[1]，一些参数的取舍主要依赖于设计者的经验和磁路的等效；而对设计方案中各组不确定的电磁参数，也都是采用传统的方法，通过大量的实验验证设计方案的正确性和有效性。在实际操作中，每一种方案就对应着一款实际的电机，不仅开发成本高，而且设计周期长，同时由于参数的不确定性，在反复修改参数验证输出性能时，会给资源造成严重的浪费。

针对这种情况，本文应用电磁场有限元分析技术，利用专业电磁场分析软件Ansoft，仿真分析电机内部电磁场分布规律，以及交流电机输出特性规律，不仅提高设计效率和可靠性，更能降低成本，大大缩短新型电机的开发周期。其具体方案：(1)针对某一型号电机查找资料，完成方案论证；(2)选用电磁场仿真软件Ansoft作为分析工具；(3)建立仿真模型，进行仿真分析计算；(4)仿真结果与实验结果对比分析；(5)总结完善设计资料。

本文主要通过对成都华川电装有限责任公司生产的一款磁电机进行建模与仿真，如图1所示，分析其输出特性，并与试验数据对比，验证仿真模型及仿真结果的正确性和有效性。

(a) 定子

(b) 转子

图1磁电机实物图

1 磁电机与磁电机的建模

此型号磁电机是一款6对极18齿的旋转磁极式发电机，即每极下平均分有1.5个齿。转子上均匀分布有12片材料为钕铁硼的磁瓦；定子绕组是△连接，如图2所示。每条边上有6个绕组串联，其中LA,B,C和RA,B,C分别是A,B,C三相绕组串联的等效电感与等效电阻，通过不可控全桥整流电路与外电路相连接，如图3所示。

图2定子绕组连接

图3磁电机通过整流桥与外电路的连接形式

在不装设定子的情况下，沿转子内表面的磁密B应为对称分布的交变的磁密波形；而在定子存在的情况下，因为每极下的定子齿数分布的不均匀，导致气隙磁密会发生畸变，但是沿气隙的总的磁通量Φ不会改变。由式(1)可知[2]，在不考虑磁饱和时，Ea的大小只与转速有关，所以在不同转速时，产生的感应电动势Ea大小不一样，通过调节可变电阻R的阻值使外电路两端的电压维持在14 V。其他一些调压方式在文献[3-4]中已详细叙述，在此不再赘述。

Ea=CeΦn

(1)

式中：Ce=pZa/(60a=)是电动势常数；Φ表示每极的总磁通量；p为极对数；Za为电枢绕组的总导体数；a=是并联支路数。

根据公司提供的电磁参数，分别在Ansoft中建立二维电机模型和连接绕组激励外电路，如图4所示，通过将外电路加载到仿真模型的绕组激励上进行暂态仿真分析。从图4(a)可以看出，在转子上有12个永磁极紧贴在转子内表面，定子有18个齿，短距集中绕组；图4(b)的连接方式就是图2和图3的等效合并，电压表测得的是外部输出直流电压，针对此型号电机直流电压恒为14 V，电流表显示流经外电路的电流值。

(a) 磁电机二维模型

(b) 外电路连接方式

图4Ansoft中的电机模型

2 磁电机静态磁场仿真结果与分析

将分析场类型设置为Magnetostatic(稳态磁场)，在无定子和有定子两种情况下对电机模型进行仿真分析，其气隙磁密波形和磁链分布如图5所示。

由图5(a)和图5(b)可以看出，在不加定子的情况下，气隙磁密沿永磁极表面分布均匀，而在有定子存在时，气隙磁密不再沿永磁极表面均匀分布。由图5(c)和图5(d)对比可知，在没有定子时，在转子内部磁导率相同，以致磁通密度沿转子内部均匀的分布；而有定子存在时，由于每一个极下的定子齿分布不均匀，假设N极磁钢的中心轴线正对一个定子齿的中心轴线，而在下一个S极就会出现磁钢中心轴线正对两个齿之间的中心轴线，磁通又总是沿着磁导率较高的磁路分布。从图中可以看出在定子齿上的磁通密度很大，而在气隙中则相对为0。所以由磁链分布可以看出，定子存在时，由于定子齿在每极下分布不均匀而导致气隙磁密发生畸变，不再是均匀分布的平顶波形。在设计电机时，如若设置定子齿数比较多，则在一个磁极下气隙磁密分布比较均匀，可以减少电机在工作中的振动与噪声。但是，齿数过多又会造成机械强度的下降与磁路的饱和，应综合考虑。

(a) 无定子气隙磁通密度

(b) 有定子气隙磁通密度

(c) 无定子气隙磁链分布

(d) 有定子气隙磁链分布

图5有无定子情况下的静态磁场仿真

3 磁电机动态磁场仿真结果与分析

将分析场类型设置为Transient(动态磁场)，转速分别为1000r/min，2000r/min，5000r/min和8000r/min的4种状态下，整流桥输出电压恒等于14 V，其仿真结果如图6和表1所示。

图64种转速情况下的气隙磁密波形对比

表14种转速情况下感应电压及外电路电流

转速n/(r·min-1)外电路电流i/A感应电压u/VA相B相C相100040．398821．779423．766419．8318200052．873724．916724．831824．8108500054．876827．984627．996128．3703800053．783531．666331．664031．9075

由图6分析可知，磁钢一定，沿气隙表面的总磁通密度不变，定子存在时气隙磁密会发生畸变，但是在不同转速时，气隙磁通分布波形相差不大，并且与均匀的气隙磁密相比较，其波形和X轴所包围的面积，即总的磁通量Φ不变。所以由式(1)可知，感应电动势Ea的大小只与转速成正比，按照表1绘制出4种状态时A相的感应电压u与转速n的关系如图7中实线所示，可以看作是一条斜率一定的直线，与理论分析相符；外电路电流i随转速的变化曲线如图7中虚线所示。在低速时输出电流比较小，在转速增大之后，通过外电路可变电阻的调节，电压恒定，输出电流也基本不变，其输出特性曲线如图8所示。

图7A相感应电压及输出电流与转速的关系

图8磁电机的输出特性曲线

4 实验与验证

表2 是对该型号磁电机的现场实验数据，与仿真数据对比显示，在各转速下误差分别为2.54%，5.33%，3.54%，2.25%，其精度满足≤10%的要求。

表2现场实验数据

转速n/(r·min-1)标准I/A实测电流值i/A仿真电流值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 结 语

本文应用电磁仿真软件Ansoft对电机进行磁场分析，不仅能正确有效的得到电机实际运行时可靠数据资料和电机的输出特性，还能够在电机设计和性能测试中大大缩短开发周期，降低开发成本。

[1] 李家国,葛维晶,张立鹏.摩托车用磁电机设计程序[J].微特电机,2004,32(6):13-15.

[2] 汤蕴璆,罗应立,梁艳萍.电机学[M].北京:机械工业出版社,2008:91-93.

[3] 周芮凯.摩托车用磁电机输出电压的调节(一)[J].摩托车技术,1993(6):5-9.

[4] 周芮凯.摩托车用磁电机输出电压的调节(二)[J].摩托车技术,1994(1):9-11.