基于Ansoft的定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)設(shè)計分析

魏曙光，馬曉軍，閆之峰，可榮碩

(裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

0 引 言

目前，坦克裝甲車輛一般采用單一28 V低壓直流供電體制，隨著大功率用電裝置的不斷裝備，車輛供電容量需求日趨增大，采用傳統(tǒng)的低壓供電模式會導(dǎo)致供電主回路電纜變得越來越粗，造成車內(nèi)電纜難以布置;同時，這種供電方式還會增加大功率電機(jī)及其功率變換裝置的設(shè)計和制造難度。為此，未來裝甲車輛電源將采用28 V/270 V高低壓雙供電體制。目前研究較多的是雙繞組永磁同步機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，但由于無法對永磁機(jī)激磁電流進(jìn)行穩(wěn)壓控制，并且其不可調(diào)節(jié)，因此為了實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，必須對低壓和高壓雙路輸出都額外增加DC/DC變換器。針對上述問題，文獻(xiàn)［1］研究了一種采用PWM－VSI逆變器控制的獨(dú)立定子雙繞組(分別為功率繞組和控制繞組)鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)，本文基于Ansoft設(shè)計一種基于定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)高低壓(270 V/28 V)雙路輸出。

1 定子雙繞組復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)

雙繞組異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為鼠籠型，定子上有兩套繞組，一套為低壓繞組，接有自勵電容、整流橋，同時直接與蓄電池相連，輸出電壓為24V直流低壓;另一套為高壓繞組，繞組上接有靜止的勵磁變換器，由勵磁變換器提供其所需的有功、無功電流，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兩套定子繞組的極數(shù)是相同的，所以它們的工作頻率是相同的，但是它們在電氣設(shè)備上沒有任何連接，通過磁耦合，從而可有效地減小由于變換器開關(guān)動作而引起的高頻諧波對低壓繞組的影響，以此來提高系統(tǒng)的效率和電磁兼容能力。

2 雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)計方法

由電機(jī)學(xué)知識可知，電機(jī)的電磁過程主要是在氣隙中進(jìn)行的，也就是說其能量形式的轉(zhuǎn)換是通過氣隙進(jìn)行的。所以，主要尺寸的確定也與氣隙有著密切的關(guān)系。一般的，對于交流電機(jī)，影響其工作性能的主要參數(shù)包括:靠近氣隙的電樞直徑D、鐵心有效長度lef和氣隙等3個參數(shù)，本文也主要對上述三個參數(shù)的確定步驟進(jìn)行分析。

首先，由電機(jī)額定功率PN求取計算電磁功率P'。本文設(shè)計的雙穩(wěn)壓發(fā)電機(jī)額定功率為3 kW，對于異步電機(jī)，有:

式中:m為電樞繞組相數(shù);E1為電樞繞組相電勢;I為電樞繞組相電流。

又輸入功率:

式中:UφN為額定相電壓。

則額定功率:

由此可得:

式中:ηN、cos φN為額定負(fù)載時的效率和功率因數(shù)，KE為滿載電勢標(biāo)么值，即額定負(fù)載時，感應(yīng)電勢與端電壓的比值。

接下來，利用推薦的數(shù)據(jù)或曲線選取電磁負(fù)荷A、Bδ，并根據(jù) P'、n0、A 和 Bδ等參數(shù)求取 D2lef，其參數(shù)關(guān)系如下:

式中:CA為電機(jī)常數(shù)，表示生產(chǎn)單位計算轉(zhuǎn)矩所耗用的有效材料(銅、鋁或電工鋼)的體積，D2lef近似地表示轉(zhuǎn)子有效部分的體積，定子有效部分的體積也與它有關(guān)，Bδ為氣隙磁密的最大值為計算極弧系數(shù)，KNm為氣隙磁場波形系數(shù)，Kdp為電樞繞組系數(shù)。

再進(jìn)一步，選取適當(dāng)?shù)某叽绫圈?。選擇λ值時，通常主要考慮電機(jī)參數(shù)與溫升、節(jié)約用銅(鋁)、轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度和轉(zhuǎn)動慣量等方面的限制和要求，對于中小型異步電機(jī)，通常取λ=0.4～1.5之間。

除上述主要參數(shù)外，本文還根據(jù)計算方法和類比法求得電機(jī)其他參數(shù)，如表1所示。

需要說明的是:為簡化電機(jī)模型，表1中忽略定子繞組間互漏感;由于高壓側(cè)輸出電流有高次諧波，所以定子高壓繞組漏感略大，實現(xiàn)高壓繞組電流濾波。

表1 3 kW雙穩(wěn)壓發(fā)電機(jī)參數(shù)

3 基于Ansoft的電機(jī)建模與仿真

3.1 基于Ansoft電機(jī)建模

在Ansoft Maxwell 2D上建立電機(jī)模型通常有兩種方法，一種是在RMxprt模塊上輸入電機(jī)詳細(xì)參數(shù)，生成電機(jī)的沖片截面圖，在仿真、編譯都通過后可進(jìn)行求解，然后利用求解的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Maxwell 2D模塊，生成電機(jī)的2D模型;另一種方法是直接在Maxwell 2D里的繪圖區(qū)利用軟件里的畫圖工具把電機(jī)完整地畫出2D圖形來。本文采用前一種方法，但是所研究的定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)的繞組繞法和其有兩套繞組是RMxprt模塊里所不能設(shè)置的，也就是局部復(fù)雜。為此，采用生成2D模型修改方法完成其建模，所建立的電機(jī)的1/4模型如圖2所示。

在繪制Maxwell 2D模型中最關(guān)鍵是線與線的閉合性和面與面的加減，它主要是通過指定面域的材料來實現(xiàn)電機(jī)的建模與仿真，線與線的閉合是為了合成一個整體然后生成一個面域，面與面的加減是為了區(qū)分電機(jī)的各部分，然后給各個部分添加指定的材料，沒有定義材料的面域默認(rèn)為真空。在Maxwell 2D中求解器可計算靜磁場、渦流場、瞬態(tài)磁場、靜電場、交變電場、直流傳導(dǎo)電場等6

種常用模型，本文求解的電機(jī)是隨時間做一定有規(guī)則的運(yùn)動，所加的激勵是時間的函數(shù)。由于靜態(tài)場或者諧性場求解器均為靜磁場的求解器，對于時變的問題無法進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，所以本文研究的雙繞組異步發(fā)電機(jī)采用瞬態(tài)磁場中進(jìn)行建模仿真。

圖2 雙繞組異步發(fā)電機(jī)2D模型

下面再分析電機(jī)邊界條件。在有限元數(shù)值計算中最終求解的是矩陣方程，邊界條件則是該方程組的定解條件。即滿足該方程的解有無數(shù)組，而滿足方程又滿足其邊界條件的數(shù)值解僅有一組。邊界條件的設(shè)定保證了方程組能被順利接觸，同時邊界條件顧名思義就是模型各個邊界上的已知量，可以是場量或其他可用來定解的物理量。本文所研究的發(fā)電機(jī)添加的是Master/Slave Boundary主從邊界條件，也可以說是周期邊界條件，該邊界引入可以將類似于旋轉(zhuǎn)電機(jī)之類的集合模型簡化，僅計算其中的一個極或一對極，從而減少所計算的數(shù)據(jù)量，這也是建立的電機(jī)1/4模型的原因之一。

在設(shè)置繪制完模型并給出了激勵源和邊界條件后，下一步就需要對所繪制的模型進(jìn)行剖分，網(wǎng)格剖分就是把電機(jī)剖分成有限個三角形小單元，為后續(xù)的有限元求解奠定基礎(chǔ)。Ansoft 12網(wǎng)格剖分采用了金字塔剖分設(shè)置，可以不需要用戶過多的參與剖分，直接利用內(nèi)置的自適應(yīng)剖分就可以得到正確的計算結(jié)果，對于高級用戶還可以自定義剖分，自定義精度可以得到不同精度的結(jié)果，雙繞組異步發(fā)電機(jī)的網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 雙繞組異步發(fā)電機(jī)剖分圖

3.2 基于Ansoft的電機(jī)性能分析

下面根據(jù)建立的模型分析發(fā)電機(jī)輸出的兩套電壓、高壓繞組激勵時的電流、電機(jī)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，還有其損耗等性能，分析時設(shè)定發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)為1575 r/min。

圖4為激勵電壓波形圖，異步發(fā)電機(jī)的激勵方式可以是在繞組上接上3個電容，利用電容的剩磁進(jìn)行激勵，也可以把電機(jī)并入電網(wǎng)利用電網(wǎng)電壓進(jìn)行激勵。Ansoft上的模型設(shè)置不了電容激勵，只有電壓和電流激勵，所以這里采用并入電網(wǎng)進(jìn)行激勵，激勵電壓峰值為270 V。

圖4 激勵電壓波形

圖5和圖6為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線和繞組三相電流曲線。在轉(zhuǎn)矩曲線中可以很明顯地看到計算開始的瞬間，電磁轉(zhuǎn)矩變化范圍很大，這在正常的電機(jī)運(yùn)行中是不會出現(xiàn)的，因為轉(zhuǎn)子為恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，故軟件所給的工況是轉(zhuǎn)子在零時刻前已經(jīng)被拖至額定轉(zhuǎn)速，然后在零時刻突然加電。實際中是從零轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速。所以計算方法應(yīng)取穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)矩數(shù)值作為參考，前半段計算無真實工況與之對應(yīng)，不用考慮。電流波形亦是如此，前半段電流不穩(wěn)定，也是由于從零時刻開始轉(zhuǎn)速直接是1575 r/min，后半段是穩(wěn)定的三相電流。穩(wěn)定后的電流有效值約為6.13 A。

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖6 激勵繞組電流值

圖7為高壓側(cè)和低壓側(cè)的感應(yīng)電壓波形。高壓側(cè)輸出線電壓穩(wěn)定，峰值約等于270 V，線電壓有效值為191 V，相電壓有效值110 V，整流后為270 V直流。低壓側(cè)感應(yīng)電壓穩(wěn)定，輸出線電壓峰值約為29.6 V，有效值為 21.1 V，相電壓有效值為 12.1 V，整流后為28 V直流。

圖7 感應(yīng)電壓波形

圖8為穩(wěn)定后的電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，可以看到，圖中所有地方磁感應(yīng)強(qiáng)度沒有超過2.0 T。一般的硅鋼片膝點是在2.0 T左右，較好的硅鋼片能達(dá)到2.3 T，電機(jī)內(nèi)的磁通是在鐵心上流動的，鐵心對磁通具有磁阻，磁通流過時會產(chǎn)生熱量，這樣的損耗叫磁滯損耗。同時鐵心也是一個導(dǎo)體，在垂直于磁力線的平面上就會感應(yīng)電勢，這個電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生渦流，渦流使電機(jī)的鐵心發(fā)熱溫度增加，這部分損耗稱為渦流損耗。磁滯損耗和渦流損耗統(tǒng)稱鐵耗。同樣，繞組中有電流通過，也會產(chǎn)生一定的熱量，這部分熱量稱為銅耗。圖9～圖12是定子軛、定子齒、轉(zhuǎn)子軛、轉(zhuǎn)子齒的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時間變化的曲線，我們可以看到其穩(wěn)定值基本都在1.8 T左右，符合硅鋼片的膝點要求，這樣不至于發(fā)熱量過大使電機(jī)損壞。

圖8 穩(wěn)定后的電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖9 定子軛磁密隨時間分布

圖10 定子齒磁密隨時間分布

圖11 轉(zhuǎn)子軛磁密隨時間分布

圖12 轉(zhuǎn)子齒磁密隨時間分布

圖13和圖14是電機(jī)相應(yīng)的銅耗，銅耗約為160 W;圖15為電機(jī)的鐵耗，鐵耗約為100 W。除此之外，電機(jī)還存在有摩擦損耗35.5 W、風(fēng)摩損耗8.2 W，總損耗約為303.7 W。由此可以算出此設(shè)計的發(fā)電機(jī)效率約為89.99。

圖13 感應(yīng)電流產(chǎn)生的銅耗

圖14 電壓源對應(yīng)的絞線銅耗

圖15 硅鋼片中的鐵耗

4 結(jié) 語

本文針對未來裝甲車輛高低壓雙供電體制，提出了一種基于定子雙繞組的復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)。首先分析了發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，分析了電機(jī)參數(shù)計算方法，并根據(jù)供電容量需求進(jìn)行了發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)校核計算。在此基礎(chǔ)上，建立了基于Ansoft電機(jī)模型，并對其電磁性能進(jìn)行了分析，利用分析結(jié)果對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了校核，為裝甲車輛新型供電系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

［1］戴文進(jìn)，張景明.電機(jī)設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［2］劉陵順.定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)的設(shè)計及控制系統(tǒng)的研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2007.

［3］可榮碩.裝甲車輛雙穩(wěn)壓異步發(fā)電系統(tǒng)等研究［D］.北京:裝甲兵工程學(xué)院，2010.

［4］何東霞，史朝暉，黃守道，等.Maxwell 2D瞬態(tài)場在電機(jī)性能參數(shù)計算中的應(yīng)用［J］.微電機(jī)，2006(4):19 －21.

［5］李剛，劉興斌，王景輝.基于Maxwell 2D三相異步電動機(jī)有限元仿真方法［J］.防爆電機(jī)，2009(6):45－48.

［6］李帥，彭國平，魚振民，等.Ansoft EM在電機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用［J］.微電機(jī)，2004(4)50 －52.

［7］秦新燕，肖鵬程.基于Ansoft的電機(jī)設(shè)計及瞬態(tài)分析［J］.湖北第二師范學(xué)院學(xué)報，2011(2):93－96.

［8］楊洋.基于Ansoft的交流鼠籠式異步電動機(jī)電磁場的有限元分析［J］.船電技術(shù)，2007(4):201－203.