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《微特電機雜志》2016年第二期

摘要:

針對爪極式發(fā)電機的特殊結(jié)構(gòu)使得氣隙間漏磁比較嚴重的現(xiàn)象，提供了一種爪極間安裝有條形永磁體的16爪新型爪極發(fā)電機結(jié)構(gòu)。通過逆向工程獲得該發(fā)電機的三維模型，利用Ansoft軟件中的Maxwell3D模塊進行了空載勵磁分析，論證了該款發(fā)電機的優(yōu)異性能，為爪極發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和磁場分析提供了理論參考。

關(guān)鍵詞:

爪極發(fā)電機;漏磁;永磁體;Maxwell

隨著社會的發(fā)展，生活水平的提高，汽車作為主要代步工具，在人們的出行中得到了越來越廣泛的應用。伴隨著人們對汽車舒適性的更高要求，汽車內(nèi)空調(diào)、電動座椅等電器元件的應用，使得汽車發(fā)電機性能的要求也越來越高。爪極發(fā)電機因其容易制造、成本低而被廣泛的應用，但是因為爪極電機本身結(jié)構(gòu)的特殊性，使得電機漏磁較大［1］。針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，在發(fā)電機前后爪極之間鑲嵌呈長條狀永磁體(簡稱磁條)，可以大大增加爪極的導磁性能，從而顯著增加發(fā)電機的輸出功率和效率，使爪極發(fā)電機的發(fā)電性能得到顯著改善。傳統(tǒng)的發(fā)電機設(shè)計，常采用經(jīng)驗公式來計算和修改電磁參數(shù)，根據(jù)整車的技術(shù)要求對發(fā)電機性能進行調(diào)整，通過對手工樣機進行試驗驗證。該種方法不僅計算過程復雜，而且分析結(jié)果與實際常有較大偏差［2］。而有限元技術(shù)的發(fā)展應用，則很好地解決了復雜的結(jié)構(gòu)分析以及精確分析等計算問題。有限元技術(shù)的應用，使產(chǎn)品無需大量復雜的試驗，通過仿真計算方法即可驗證所設(shè)計產(chǎn)品的合理性與可靠性，從而得出最佳產(chǎn)品設(shè)計方案，減少產(chǎn)品試驗以及制造時所需成本。本文利用有限元法從理論上驗證了該款發(fā)電機的優(yōu)越性，并對發(fā)電機的漏磁做了定量分析，并提出了優(yōu)化改進的方法。

1爪極電機模型的建立

針對爪極發(fā)電機模型的建立主要有以下三種方式［3］:一，根據(jù)發(fā)電機的實際尺寸數(shù)據(jù)，在Ansoft軟件的Rxmprt模塊中可直接生成Maxwell3D模型;二，通過第三方軟件(CATIA、Pro/E等)進行模型的建立然后導入Ansoft中;三，在Rxmprt建立基本的模型后導出，再利用第三方軟件進行細節(jié)的調(diào)整和修改得整體模型。在以上所述方法中，第二種方法因為專業(yè)三維繪圖軟件的應用，使用較為簡便。本文所研究發(fā)電機是一款韓國進口發(fā)電機，8對爪極，48槽結(jié)構(gòu)，模型的建立是通過逆向工程來獲取的，逆向所得模型導入Ansoft中如圖1所示。轉(zhuǎn)子部分由8對爪極、勵磁繞組、永磁體組成。定子包括三相繞組和鐵心，共有48槽。對發(fā)電機完整的有限元分析主要包括需要以下幾個步驟［4］，如圖2所示。

2空載磁場的分析

對于前后爪極之間鑲嵌呈長條狀永磁體的該款發(fā)電機，空載時的主磁通是由電勵磁磁通以及永磁勵磁磁通兩部分并聯(lián)組成的。其中由勵磁繞組通電產(chǎn)生的主磁通閉合路徑如圖3所示，從圖3中可以看出，主磁通的流經(jīng)路線為:爪極N極－氣隙－定子齒－定子軛－定子齒－氣隙－爪極S極－轉(zhuǎn)子磁軛－爪極N極，主磁通流經(jīng)電機各部件形成了一個閉合回路［5］。另外，由附加的永磁體產(chǎn)生的另一部分主磁通同樣形成一個閉合回路:永磁體N極－爪極N極－氣隙－定子齒－定子軛－定子齒－氣隙－爪極S極－永磁體S－永磁體N極。在永磁體充磁之前，必須根據(jù)繞組電流方向確定爪極的N/S極，使永磁體的S(N)極與爪極的S(N)極在同一方向，如圖4所示，利用磁性材料同性相斥的原理，將磁感線盡可能地通過氣隙進入定子，避免N，S極間形成回路，從而達到通過加永磁體實現(xiàn)增加氣隙磁通、減小了爪極之間的漏磁通、提高了發(fā)電機效率的目的。永磁體的性能在很大程度上影響電機的性能，所以永磁體材料的選取很重要，綜合考慮磁性材料的磁性能以及熱穩(wěn)定性等因素，選取了剩磁密度為1．23T、矯頑力為885kA/m、型號為N38UH的釹鐵硼。給勵磁繞組通以5A的勵磁電流，計算發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速6000r/min時的空載狀態(tài)，得仿真后有無磁條結(jié)構(gòu)的發(fā)電機空載磁力線分布圖如圖5所示。通過對圖5的觀察可以發(fā)現(xiàn)，僅通過電勵磁的方式產(chǎn)生的磁感線，大部分在轉(zhuǎn)子間形成了回路，而在爪極間加入磁條后的發(fā)電機得到了明顯改善。因為由永磁體產(chǎn)生的主磁通與勵磁繞組通電之后產(chǎn)生的主磁通是并聯(lián)關(guān)系，故可以在不增加勵磁電流的前提下增大了氣隙磁密的輸出，進而提高了發(fā)電機的效率。

圖6無永磁體與帶有8個永磁體的對比如圖7所示，通過在XY平面氣隙處畫一條圓弧線的方式［6］得空載時氣隙磁密云圖，然后在Ansoft軟件后處理器得空載有無磁條的氣隙線路徑上磁密變化曲線對比圖，如圖8所示。除上述結(jié)果外，還得出了空載時，有無長條永磁體氣隙磁通量對比曲線圖，如圖9所示。從圖9中可以明顯地看出，利用永磁體使得磁通量得到明顯的提高，漏磁通從23．7%減小到8%。

3結(jié)語

本文通過逆向工程獲得了爪極發(fā)電機的三維模型，利用Ansoft軟件中的Maxwell3D模塊對該款發(fā)電機進行了空載勵磁分析，從理論和分析結(jié)果兩方面論證了在發(fā)電機前后爪極之間鑲嵌永磁體可以大大增加爪極的導磁性能，達到提高發(fā)電機的輸出功率和效率的目的。并為后續(xù)的負載分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

作者：李衛(wèi)民 馬平平 單位：遼寧工業(yè)大學