混合勵磁爪極發電機空載漏磁計算與結構優化

曹金祥，岳峰麗

（沈陽理工大學 汽車與交通學院，沈陽 110159）

混合勵磁爪極發電機空載漏磁計算與結構優化

曹金祥，岳峰麗

（沈陽理工大學 汽車與交通學院，沈陽 110159）

為研究不同結構變量對混合勵磁爪極發電機空載漏磁系數的影響，利用JMAG三維電磁場有限元軟件，分析在不同結構參數下空載漏磁系數，并設計正交實驗，確定最優結構參數。結果表明，混合勵磁爪極發電機空載漏磁系數與定子內徑和爪極根部厚度呈正增長關系，與定子外徑和定子鐵心有效長度呈負增長關系，與轉子鐵心內徑幾乎無正負增長關系。這為爪極發電機的參數設計、漏磁分析和結構優化等提供了理論基礎和實踐參考。

爪極發電機；混合勵磁；空載漏磁；最優結構

0 引 言

近年來，隨著新能源汽車市場的持續火爆，以及人們對汽車舒適性、經濟性和安全性等方面的要求越來越高，使得汽車上的電子設備不斷增加，傳統的電勵磁爪極發電機已不能滿足供電要求[1-2]，亟需研制出高輸出功率的發電機。本文設計一種特殊結構的混合勵磁爪極發電機，其氣隙磁場由電勵磁和永磁勵磁并聯共同提供，轉子的兩個爪極間放有切向充磁的釹鐵硼永磁體，取消電刷結構。與傳統發電機明顯不同，混合勵磁爪極發電機的定子與機殼之間無隔磁層，磁通不通過端蓋與機殼，磁路比較短，且其中的磁場不會干擾四周的電子裝置[3-4]。

目前，國外學者已對混合勵磁爪極發電機的電磁場性能、噪聲振動、動態仿真及渦流損耗等做了相關分析和研究[5-9]。國內學者對多種結構的混合勵磁爪極發電機進行研究，如利用三維有限元方法對串聯磁路混合勵磁爪極發電機的極對數和磁鋼厚度進行優化[10]，但此電機的串聯磁路會使永磁體不可逆退磁；建立一種并聯磁路的混合勵磁爪極發電機的等效磁路模型，仿真分析得到氣隙磁密與各參數之間的變化關系曲線[11]，但此電機沒有實現無刷化，工作可靠性不高；計算一種混合勵磁無刷爪極發電機的電感參數[12]，盡管此電機的磁路是并聯關系，且實現了無刷化，但其定子與殼體間放有隔磁層，磁通會通過端蓋和機殼干擾四周的電子裝置。本文采用日本JSOL公司開發的JMAG三維電磁場有限元軟件，分析在不同結構參數下并聯磁路混合勵磁無刷爪極發電機空載漏磁系數，并設計正交實驗，確定最優結構參數。

1 混合勵磁爪極發電機有限元分析

1.1 三維電磁場有限元計算的基本原理

在靜態場中，電機的磁場可看作三維恒定磁場，磁場強度H 和電流密度J 滿足安培環路定律，即：

根據Maxwell方程，可知：

其中B為磁感應強度。

又由于H=B/μ，μ為磁導率，因而可得：

再根據B=·A，可得：

其中A為矢量磁位。由于磁阻率v=1/μ，故（4）式可表示為：

最后根據能量最小原理和高斯定理，求出矢量磁位A，繼而求得磁感應強度B和磁場強度H等物理量。

1.2 三維模型的建立及網格模型的劃分

參照電機主要參數（見表1），建立電機三維實體模型（見圖1）。電機三維實體模型主要由定子、爪極式轉子、電樞繞組等組成。定子由有槽鐵心和三相對稱繞組組成，與普通三相交流發電機相同，一般采用星型聯接。爪極式轉子由兩個焊接在一起的爪極、勵磁繞組、磁軛、永磁體及轉子軸等結構組成[13]。其中，定子和爪極材料為軟磁50JN1300硅鋼片，疊片系數為0.98，勵磁繞組和電樞繞組材料為銅導線，永磁體型號為NEOMAX-42的燒結釹鐵硼，剩磁Br為1.28T，最大磁能積 (B×H )max為322KJ/m3，磁感矯頑力Hcb為1 000KA/m，內稟矯頑力Hcj為955KA/m。

表1 混合勵磁爪極發電機主要參數

圖1 混合勵磁爪極發電機三維實體模型

由于爪極轉子的特殊結構，導致其磁路復雜、不規則，具有明顯的三維特性，利用傳統的等效磁路法難以保證計算精度，因而采用計算精度高的三維有限元方法進行分析求解[14-15]。利用JMAG三維電磁場有限元軟件，通過對模型賦予材料、設置電路、添加邊界條件及求解設置等操作后，得到電機有限元網格模型（見圖2），計931 377個單元、273 028個節點。

圖2 混合勵磁爪極發電機有限元網格模型

1.3 結構參數對空載漏磁的影響

在勵磁電流為5A、額定轉速為4 000r/min的條件下，改變定子內徑、定子外徑、定子鐵心有效長度、轉子鐵心內徑和爪極根部厚度5個結構參數，在JMAG電磁場軟件中分別建立電機模型，并進行空載仿真分析，計算出總磁通和有效磁通，最終可得每個變量下空載漏磁系數。

當定子內徑逐漸增加，即氣隙逐漸增大時，其對電機空載漏磁系數的影響見表2。由表2可知，總磁通和有效磁通均減少許多，空載漏磁系數反而增加，即空載漏磁系數與定子內徑呈正增長關系。

當定子外徑逐漸增加時，其對電機空載漏磁系數的影響見表3。由表3可知，總磁通和有效磁通均增加許多，空載漏磁系數反而減小，即空載漏磁系數與定子外徑呈負增長關系。

當定子鐵心有效長度逐漸增加時，其對電機空載漏磁系數的影響見表4。由表4可知，總磁通和有效磁通均增加許多，空載漏磁系數反而減小，即空載漏磁系數與定子鐵心有效長度呈負增長關系。

當轉子鐵心內徑逐漸增加時，其對電機空載漏磁系數的影響見表5。由表5可知，總磁通和有效磁通的變化微乎其微，漏磁系數的變化也微乎其微，即空載漏磁系數與轉子鐵心內徑幾乎無正負增長關系。

當爪極根部厚度逐漸增加時，其對電機空載漏磁系數的影響見表6。由表6可知，總磁通和有效磁通均增加許多，空載漏磁系數也隨之增加，即空載漏磁系數與爪極根部厚度呈正增長關系。

表2 定子內徑對混合勵磁爪極發電機空載漏磁系數的影響

表3 定子外徑對混合勵磁爪極發電機空載漏磁系數的影響

表4 定子鐵心有效長度對混合勵磁爪極發電機空載漏磁系數的影響

表5 轉子鐵心內徑對混合勵磁爪極發電機空載漏磁系數的影響

表6 爪極根部厚度對混合勵磁爪極發電機空載漏磁系數的影響

2 混合勵磁爪極發電機結構優化

通過分析不同結構參數下空載漏磁系數變化情況，可得到優化電機結構所需的目標函數、參數及約束邊界條件，再設計正交試驗，最終可得到最優結構參數。

2.1 優化表達式

優化目標函數f(x)為：當合理選擇電機結構參數時，使電機的有效磁通量最大、漏磁通最小，即電樞繞組所匝鏈的磁鏈最大。選擇需要優化的參數，即定子內徑d、定子外徑D、定子鐵心有效長度l、轉子鐵心內徑c和爪極根部厚度h為設計變量，約束邊界條件是每個設計變量的最大值和最小值。確定上述優化目標、優化參數和約束邊界條件后，得到優化表達式為：

2.2 設計正交試驗

把影響電機輸出性能的5個主要結構參數當作5個因素，每個因素取4個水平，可得到電機結構參數水平（見表7）。由表7建立一個L16(45)的正交試驗（見表8），對16組結構參數在JMAG電磁場軟件中建模仿真分析，最后得到極差分析結果。

表8中，S(i=1, 2, 3, 4)為同一水平之和；A(i=1,ii2, 3, 4)為同一水平的平均值；R為極差，等于max (A)i減去min (A)，R值越大，表示該因素的變化對電機性i能影響越大，因素越重要。由此計算出最優結構下磁鏈為0.036 82Wb，大于未優化前的16組值，證明所選結構為最優組合。

表7 混合勵磁爪極發電機結構參數水平 mm

3 結 論

計算混合勵磁爪極發電機空載狀態時不同結構參數下總磁通和有效磁通，繼而求出漏磁系數，并設計正交實驗，確定最優結構參數。結果表明，混合勵磁爪極發電機空載漏磁系數與定子內徑和爪極根部厚度呈正增長關系，與定子外徑和定子鐵心有效長度呈負增長關系，與轉子鐵心內徑幾乎無正負增長關系。這為爪極發電機的參數設計、漏磁分析和結構優化等提供了相關理論參考，對改善汽車發電機的輸出性能、提高其功率和效率具有一定的實踐指導意義。

表8 混合勵磁爪極發電機正交試驗結果

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[責任編輯：石品德]

Calculation and Structure Optimization of Mixed Excitation Claw Pole Generator No-load Leakage

CAO Jinxiang, YUE Fengli
(School of Automotive & Transportation, Shenyang Li Gong University, Shenyang, 110159, China)

In order to study the effect of different structural variables on the coefficient of mixed excitation claw pole generator no-load leakage, efforts have been made to use JMAG 3D electromagnetic f eld f nite element software to analyze the no-load leakage coefficient with different structural parameters, and to design orthogonal experiment and then determine the optimum structural parameters. As the result demonstrates there exists a positive growth relation between mixed excitation claw pole generator no-load leakage coef f cient and stator inner diameter, and the root thickness of claw pole while there exists negative growth relation between stator outside diameter and the effective length of stator core. But neither positive nor negative growth relation is revealed between that and rotor core inner diameter. This study is helpful for parameter designing of claw pole gener ator, leakage analysis and structure optimization as theoretical and practical experience.

Claw pole generator; Mixed excitation; No-load leakage; Optimum structure

TM31

A

1671-4326 (2017) 01-0048-05

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2017.011

2016-07-21

曹金祥（1992—），男，遼寧大石橋人，沈陽理工大學汽車與交通學院碩士研究生；岳峰麗（1970—），女，遼寧沈陽人，沈陽理工大學汽車與交通學院副教授，碩士.