倪有源，何 强，陈俊华

(合肥工业大学，合肥230009)

0 引 言

由于生产成本较低，爪极发电机广泛应用在各种车辆中。但是爪极发电机的特殊转子结构造成爪极极间漏磁较大，使得电机在实际使用过程中效率很低。因此分析爪极发电机稳态运行时的性能，优化电机结构以及提高电机效率，对于今后爪极发电机的应用前景具有重要价值。

国内外对爪极电机展开了广泛的研究。包括研究磁性材料对爪极电机性能的影响［1］、分析电机空载漏磁［2－3］、用三维有限元法计算转子涡流损耗［4］、采用等效磁网络法分析电机性能［5－7］、利用场路耦合模型分析电机性能［8］、结构与动力学分析［9］、多领域仿真分析［10］以及故障诊断［11］等。

电机电磁性能一直是研究的热点之一。由于爪极转子的特殊结构造成了电机内部电磁场呈三维特性，需要建立爪极发电机的三维电磁场模型。本文采用有限元商用软件计算了一台电励磁爪极发电机和一台混合励磁爪极发电机的负载漏磁。首先对永磁体进行了优化分析，接着进行了气隙磁密分析，并计算不同转速和励磁电流下的负载平均漏磁系数，得出了两种电机效率与负载平均漏磁系数的变化关系。比较分析得出极间加永磁体对爪极发电机漏磁的影响，以及对输出功率和效率的影响。最后对样机进行了实测，计算值与实验值具有较好的一致性，验证了计算结果的正确性。

1 爪极发电机的结构

1.1 电励磁爪极发电机

图1 为电励磁爪极发电机的三维结构。转子磁轭、爪极、气隙、定子齿和定子轭等构成了主磁路。励磁绕组中通入励磁电流后，在转子磁轭上产生轴向磁通，并依靠爪极转化为径向磁通，使得一块爪极被磁化为N 极，另一块被磁化为S 极。主磁通自爪极的N 极开始，经气隙、定子齿、定子磁轭到达定子S 极下的定子齿，再经过气隙到达爪极的S 极，最后经过转子磁轭回到爪极的N 极，从而形成一个闭合回路。

图1 电励磁爪极发电机结构

1.2 混合励磁爪极发电机

图2 为混合励磁爪极发电机三维结构，整体结构和电励磁爪极发电机完全相同，只是在爪极间放置永磁体，磁化方向为切向，作用主要是减少爪极间的漏磁通以及增加主磁通。

图2 混合励磁爪极发电机结构

电机负载时，一对极下的主磁通包括三部分:一部分是励磁电流产生的主磁通，路径与电励磁爪极发电机的励磁磁通路径完全相同;一部分是永磁体产生的主磁通;还有一部分是定子绕组中三相电流产生的主磁通。

2 爪极发电机负载漏磁计算

2.1 爪极发电机的三维磁场分析

利用有限元软件建立爪极发电机的三维模型。为了减少计算量，只建立电机的一对极模型。在圆柱坐标系下，周期性对称面上的边界条件满足:

式中:r，φ，z 分别为任一点的坐标的3 个分量;Br，Bφ，Bz分别为磁通密度的3 个分量;φ 为电机的一个极距角。

因此，通过任意有向曲面S 的磁通量Φ 可由B对该面的面积分得到，即:

爪极发电机的主要参数列于表1 中。

爪极发电机的爪极转子是将励磁绕组产生的轴向磁通转化为径向磁通的环节，是电机中最为关键的部分，爪极的结构关系到电机的性能，同时也是三维有限元计算准确性的核心。利用三维有限元方法，计算得到电励磁爪极发电机额定负载和额定转速下，某时刻一极爪极转子铁心磁场分布如图3 所示。由图3 可以清晰地看出爪极中的磁场路径。

表1 爪极发电机的主要参数

图3 转子铁心磁场分布

对气隙磁场展开进一步的分析至关重要。在爪极发电机的气隙间取一个曲面，以显示一对极下爪极发电机在某个位置的气隙磁密分布，如图4 所示。

图4 电励磁爪极发电机的气隙磁密云图

由于电机的轴向和周向对称性，气隙磁密的分布也具有对称性，但爪极间的间隙、以及定子的槽口大小会对气隙磁密造成影响。爪极间的间隙越大，定子槽口越大，磁密越小，漏磁现象越严重。

对于混合励磁爪极发电机，首先需要对永磁体材料和尺寸进行优化分析。优化目标为输出功率与永磁体积之比为最大。优化变量为永磁剩磁Br，矫顽力Hc以及永磁三维尺寸。在满足安装条件等约束条件下，采用拟牛顿优化方法，得到永磁体牌号为钕铁硼N30EH，三维尺寸为29 mm ×9.5 mm ×5.6 mm。该钕铁硼永磁体内的磁场分布如图5 所示，清晰显示出切向磁场分布。

图5 钕铁硼永磁体内的磁场分布

为了便于比较，同样显示一对极下的气隙磁密分布，如图6 所示。

图6 混合励磁爪极发电机的气隙磁密云图

比较图4 和图6 可以看出，在爪极间嵌入永磁体，能有效地增强主磁通以及减少漏磁，气隙磁密幅值明显增加。

2.2 气隙磁密的波形分析

本文选择两种电机轴向位置中心z =0 处的气隙磁密波形进行分析。电励磁爪极发电机在z =0处的气隙磁密波形如图7 所示。混合励磁爪极发电机在z=0 处的气隙磁密波形如图8 所示。

图7 电励磁爪极发电机中心处气隙磁密波形

图8 混合励磁爪极发电机中心处气隙磁密波形

利用FFT 对两种电机的气隙磁密波形进行谐波分析。得到两种电机的气隙磁密频谱分析如图9所示。

图9 两种电机气隙磁密FFT 频谱分析

表2 列出了两种电机气隙磁密的峰值、基波幅值以及THD。由表2 可以看出，在轴向位置中心z=0 处，由于在爪极间放置了永磁体，造成混合励磁爪极发电机气隙磁密畸变，从而THD 值较高。但是气隙磁密峰值明显大于电励磁爪极发电机，而且基波幅值也较大。在其它位置处的气隙磁密也满足此规律，故主磁通显著增加。

表2 两种电机气隙磁密分析

2.3 爪极发电机负载漏磁计算

在电机磁场分析中，常用漏磁系数σ 来表示漏磁的大小。漏磁系数的计算式:

式中:Ψ 为总磁链;Ψσ为漏磁链;Ψe为有效磁链。

对于电励磁爪极发电机，保持输出恒压下，选择不同转速和不同励磁电流，并选取不同时间点对应的转子位置，由式(3)和式(4)，计算负载平均漏磁系数。计算结果如表3 所示。

表3 电励磁爪极发电机的负载平均漏磁系数

对于混合励磁爪极发电机，保持输出恒压下，同样选择不同转速和不同励磁电流，并选取不同时间点对应的转子位置，由式(3)和式(4)，计算负载平均漏磁系数。计算结果如表4 所示。

表4 混合励磁爪极发电机的负载平均漏磁系数

由表3 和表4 可以看出，爪极发电机由于其结构的特殊性，漏磁比例高达50%左右，漏磁比较严重。极间漏磁较大是造成该电机效率低的一个重要原因。

对于这两种电机，随着转速的增加，每极总磁链和每极有效磁链随之减小，但负载平均漏磁系数随之增加。且相同转速下，混合励磁爪极电机的漏磁系数明显小于电励磁爪极电机，漏磁比例明显降低。因此，混合励磁爪极发电机有效减小了极间漏磁。

3 样机制作与实测

在理论分析的基础上，本文研制了两种发电机样机。图10分别为制作的电励磁转子和混合励磁转子。

图10 两种爪极发电机转子

接着对两种电机进行输出性能实验。测得两种电机在输出恒压下、不同转速和励磁电流下的最大输出功率。并与计算值进行比较，计算值和实测值如图11 所示。由图11 可以看出，随着转速的增加，两种电机最大输出功率也随之增加，且混合励磁爪极发电机的输出功率明显大于电励磁爪极发电机。计算结果与实测结果误差较小，验证了理论计算结果的有效性。

图11 两种爪极发电机的最大输出性能

为了验证理论计算的正确性，最后对两种样机进行效率实验。实验测得输出恒压下电励磁爪极电机在不同转速和励磁电流下的输出电流和效率如表5 所示。由表5 可以看出，随着转速的增加，负载平均漏磁系数随之增加，输出电流也随之增加，而电机效率却随之减小，符合实际情况。

表5 电励磁爪极发电机转速与效率实测值

同样在输出恒压下，测得混合励磁爪极电机在不同转速和励磁电流下的输出电流和效率，如表6所示。由表6 可以看出，随着转速的增加，负载平均漏磁系数随之增加，输出电流也随之增加，但电机效率却随之减小，与实际情况吻合。

比较表5 和表6 可以看出，在相同转速下，混合励磁爪极电机的负载平均漏磁系数小于电励磁爪极电机，效率明显高于电励磁爪极电机。两种样机效率实测结果验证了负载平均漏磁系数计算结果的正确性，同时也验证了混合励磁爪极发电机能够减小极间漏磁的有效性。

表6 混合励磁爪极发电机转速与效率实测值

4 结 语

在三维瞬态有限元法中，本文选取不同时间点，以用于汽车中的爪极发电机为研究对象，计算了两种爪极发电机的负载气隙磁密、不同转速和励磁电流下的负载平均漏磁系数以及最大输出功率。首先对永磁体进行了优化分析，确定了永磁体牌号和三维尺寸。接着对气隙磁密分布和气隙磁密谐波进行了分析。然后计算了不同转速、不同励磁电流以及不同转子位置下的负载平均漏磁系数，并且得出了两种电机效率与负载平均漏磁系数的变化关系。最后通过样机实测，进一步验证了理论计算结果的正确性以及混合励磁爪极发电机能够减小极间漏磁的有效性。本文的研究对于爪极发电机的结构设计、磁场分析以及参数优化设计等具有一定的理论参考价值。

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