基于Ansoft的磁電機建模與仿真分析

崔天翔，莊圣賢，周 娟，李小龍

(1.西南交通大學,成都 610031;2.華川電裝有限責任公司,成都 610106)

0 引 言

磁電機作為摩托車的點火系統，與發動機的曲軸直接相連，隨曲軸旋轉產生電能，并經過整流橋及調壓電路調節輸出電壓，用于車上照明、蓄電池充電或者其它負載。

在已有的文獻中對磁電機設計的介紹主要是從路算法入手[1]，一些參數的取舍主要依賴于設計者的經驗和磁路的等效；而對設計方案中各組不確定的電磁參數，也都是采用傳統的方法，通過大量的實驗驗證設計方案的正確性和有效性。在實際操作中，每一種方案就對應著一款實際的電機，不僅開發成本高，而且設計周期長，同時由于參數的不確定性，在反復修改參數驗證輸出性能時，會給資源造成嚴重的浪費。

針對這種情況，本文應用電磁場有限元分析技術，利用專業電磁場分析軟件Ansoft，仿真分析電機內部電磁場分布規律，以及交流電機輸出特性規律，不僅提高設計效率和可靠性，更能降低成本，大大縮短新型電機的開發周期。其具體方案：(1)針對某一型號電機查找資料，完成方案論證；(2)選用電磁場仿真軟件Ansoft作為分析工具；(3)建立仿真模型，進行仿真分析計算；(4)仿真結果與實驗結果對比分析；(5)總結完善設計資料。

本文主要通過對成都華川電裝有限責任公司生產的一款磁電機進行建模與仿真，如圖1所示，分析其輸出特性，并與試驗數據對比，驗證仿真模型及仿真結果的正確性和有效性。

(a) 定子

(b) 轉子

圖1磁電機實物圖

1 磁電機與磁電機的建模

此型號磁電機是一款6對極18齒的旋轉磁極式發電機，即每極下平均分有1.5個齒。轉子上均勻分布有12片材料為釹鐵硼的磁瓦；定子繞組是△連接，如圖2所示。每條邊上有6個繞組串聯，其中LA,B,C和RA,B,C分別是A,B,C三相繞組串聯的等效電感與等效電阻，通過不可控全橋整流電路與外電路相連接，如圖3所示。

圖2定子繞組連接

圖3磁電機通過整流橋與外電路的連接形式

在不裝設定子的情況下，沿轉子內表面的磁密B應為對稱分布的交變的磁密波形；而在定子存在的情況下，因為每極下的定子齒數分布的不均勻，導致氣隙磁密會發生畸變，但是沿氣隙的總的磁通量Φ不會改變。由式(1)可知[2]，在不考慮磁飽和時，Ea的大小只與轉速有關，所以在不同轉速時，產生的感應電動勢Ea大小不一樣，通過調節可變電阻R的阻值使外電路兩端的電壓維持在14 V。其他一些調壓方式在文獻[3-4]中已詳細敘述，在此不再贅述。

Ea=CeΦn

(1)

式中：Ce=pZa/(60a=)是電動勢常數；Φ表示每極的總磁通量；p為極對數；Za為電樞繞組的總導體數；a=是并聯支路數。

根據公司提供的電磁參數，分別在Ansoft中建立二維電機模型和連接繞組激勵外電路，如圖4所示，通過將外電路加載到仿真模型的繞組激勵上進行暫態仿真分析。從圖4(a)可以看出，在轉子上有12個永磁極緊貼在轉子內表面，定子有18個齒，短距集中繞組；圖4(b)的連接方式就是圖2和圖3的等效合并，電壓表測得的是外部輸出直流電壓，針對此型號電機直流電壓恒為14 V，電流表顯示流經外電路的電流值。

(a) 磁電機二維模型

(b) 外電路連接方式

圖4Ansoft中的電機模型

2 磁電機靜態磁場仿真結果與分析

將分析場類型設置為Magnetostatic(穩態磁場)，在無定子和有定子兩種情況下對電機模型進行仿真分析，其氣隙磁密波形和磁鏈分布如圖5所示。

由圖5(a)和圖5(b)可以看出，在不加定子的情況下，氣隙磁密沿永磁極表面分布均勻，而在有定子存在時，氣隙磁密不再沿永磁極表面均勻分布。由圖5(c)和圖5(d)對比可知，在沒有定子時，在轉子內部磁導率相同，以致磁通密度沿轉子內部均勻的分布；而有定子存在時，由于每一個極下的定子齒分布不均勻，假設N極磁鋼的中心軸線正對一個定子齒的中心軸線，而在下一個S極就會出現磁鋼中心軸線正對兩個齒之間的中心軸線，磁通又總是沿著磁導率較高的磁路分布。從圖中可以看出在定子齒上的磁通密度很大，而在氣隙中則相對為0。所以由磁鏈分布可以看出，定子存在時，由于定子齒在每極下分布不均勻而導致氣隙磁密發生畸變，不再是均勻分布的平頂波形。在設計電機時，如若設置定子齒數比較多，則在一個磁極下氣隙磁密分布比較均勻，可以減少電機在工作中的振動與噪聲。但是，齒數過多又會造成機械強度的下降與磁路的飽和，應綜合考慮。

(a) 無定子氣隙磁通密度

(b) 有定子氣隙磁通密度

(c) 無定子氣隙磁鏈分布

(d) 有定子氣隙磁鏈分布

圖5有無定子情況下的靜態磁場仿真

3 磁電機動態磁場仿真結果與分析

將分析場類型設置為Transient(動態磁場)，轉速分別為1000r/min，2000r/min，5000r/min和8000r/min的4種狀態下，整流橋輸出電壓恒等于14 V，其仿真結果如圖6和表1所示。

圖64種轉速情況下的氣隙磁密波形對比

表14種轉速情況下感應電壓及外電路電流

轉速n/(r·min-1)外電路電流i/A感應電壓u/VA相B相C相100040．398821．779423．766419．8318200052．873724．916724．831824．8108500054．876827．984627．996128．3703800053．783531．666331．664031．9075

由圖6分析可知，磁鋼一定，沿氣隙表面的總磁通密度不變，定子存在時氣隙磁密會發生畸變，但是在不同轉速時，氣隙磁通分布波形相差不大，并且與均勻的氣隙磁密相比較，其波形和X軸所包圍的面積，即總的磁通量Φ不變。所以由式(1)可知，感應電動勢Ea的大小只與轉速成正比，按照表1繪制出4種狀態時A相的感應電壓u與轉速n的關系如圖7中實線所示，可以看作是一條斜率一定的直線，與理論分析相符；外電路電流i隨轉速的變化曲線如圖7中虛線所示。在低速時輸出電流比較小，在轉速增大之后，通過外電路可變電阻的調節，電壓恒定，輸出電流也基本不變，其輸出特性曲線如圖8所示。

圖7A相感應電壓及輸出電流與轉速的關系

圖8磁電機的輸出特性曲線

4 實驗與驗證

表2 是對該型號磁電機的現場實驗數據，與仿真數據對比顯示，在各轉速下誤差分別為2.54%，5.33%，3.54%，2.25%，其精度滿足≤10%的要求。

表2現場實驗數據

轉速n/(r·min-1)標準I/A實測電流值i/A仿真電流值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 結 語

本文應用電磁仿真軟件Ansoft對電機進行磁場分析，不僅能正確有效的得到電機實際運行時可靠數據資料和電機的輸出特性，還能夠在電機設計和性能測試中大大縮短開發周期，降低開發成本。

[1] 李家國,葛維晶,張立鵬.摩托車用磁電機設計程序[J].微特電機,2004,32(6):13-15.

[2] 湯蘊璆,羅應立,梁艷萍.電機學[M].北京:機械工業出版社,2008:91-93.

[3] 周芮凱.摩托車用磁電機輸出電壓的調節(一)[J].摩托車技術,1993(6):5-9.

[4] 周芮凱.摩托車用磁電機輸出電壓的調節(二)[J].摩托車技術,1994(1):9-11.