倪有源,　何　强,　郎旭初,　邓泽选

(1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥　230009； 2.浙江安美德汽车配件有限公司,浙江 湖州　313000)



基于场路耦合法计算爪极发电机输出功率和效率

倪有源1,何强1,郎旭初2,邓泽选2

(1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥230009； 2.浙江安美德汽车配件有限公司,浙江 湖州313000)

摘要:爪极发电机磁场呈典型的三维分布,需用三维数值方法计算。文章采用三维瞬态有限元法计算爪极发电机电磁场,得到各项铁耗;采用场路耦合法计算,得到了额定负载时电励磁爪极发电机的效率,并且得到了电励磁、混合励磁爪极发电机的最大输出功率。电励磁爪极发电机输出性能实测值与计算值的一致性验证了计算结果的有效性。

关键词:场路耦合法;爪极发电机;三维瞬态有限元法;电励磁;混合励磁

0引言

爪极发电机由于制造简单且成本较低而广泛应用在各种车辆的供电系统中,但是爪极发电机的特殊转子结构造成爪极极间漏磁较大,使得电机效率很低。因此分析爪极发电机运行性能、优化电机结构以提高电机效率,对于爪极发电机的应用前景具有重要意义和工程价值。

国内外对爪极发电机开展了广泛的研究,包括磁性材料研究[1]、涡流场计算[2]、等效磁路法分析性能[3-4]、结构优化[5-6]、混合励磁[7-10]等。

爪极发电机进行普通的结构优化不能明显提高电机的效率，因此通过在爪极间放置永磁体来增加主磁通和减少爪极间的漏磁通,从而提高输出功率和效率,即变为混合励磁爪极发电机[7]。采用场路耦合分析方法不仅可以精确获得电机内部电磁场,而且能够精确获得电机运行特性[11]。本文采用三维瞬态有限元法计算爪极发电机电磁场,得到各项铁耗;采用场路耦合的方法计算了一台电励磁爪极发电机的效率和最大输出功率,并且计算了一台混合励磁爪极发电机在相同结构参数、2种不同永磁材料情况下的最大输出功率;最后对电励磁爪极发电机样机进行了实测,计算值与实测值具有较好的一致性。

1爪极发电机的结构和原理

1.1　电励磁爪极发电机

电励磁爪极发电机的三维结构如图1所示,其主磁路由转子磁轭、爪极、气隙、定子齿和定子轭等部分组成。励磁绕组中通入电流后,在转子磁轭上产生轴向磁通,并依靠爪极转化为径向磁通,使得一个爪极为N极,相邻爪极为S极。磁通从N极出发,经气隙、定子齿、定子磁轭到达另一个极,再经另一个极下的定子齿、气隙回到S极,经过爪极回到转子磁轭,从而形成一个闭合回路。

图1　电励磁爪极发电机结构

采用实际样机的具体参数,用三维有限元软件建立爪极发电机3D模型,通过网格剖分、加载、后处理等得到三维电磁场计算结果。

为了减小计算时间和计算量,尽可能缩小模型的求解域。爪极电机由于结构特殊,考虑到对称性,求解区域选择为一对极模型。

在周期性对称面上,边界条件满足:

(1)

(2)

其中,Br、Bφ、Bz分别为磁通密度B在柱坐标系下的 3 个分量;r、φ、z分别为任一坐标在柱坐标系下的 3 个分量;Δφ为一个极距角。

1.2　混合励磁爪极发电机

混合励磁爪极发电机三维结构如图2所示,整体结构和电励磁爪极发电机相同,只是在爪极间放置永磁体,磁化方向为切向,作用是增加主磁通和减小爪极间的漏磁通。负载时一对极下的主磁通由3部分磁通组成:

(1) 励磁绕组中的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一样。

(2) 永磁体产生的主磁通,路径为主磁通经永磁体N极、爪极N极、气隙、定子齿到达定子轭,再经定子齿、气隙到达爪极S极,经过永磁体S极回到永磁体N极,也形成一个回路。

(3) 定子绕组中三相电流产生的主磁通。

图2　混合励磁爪极发电机结构

1.3　整流电路

爪极发电机带整流及负载的电路如图3所示。前半部分使用三维瞬态有限元法对爪极发电机一对极模型进行三维电磁场分析,后半部分使用软件自带的电路编辑器,运用电路方法计算绕组中的电阻损耗及整流器上的损耗和负载功率。

图3　爪极发电机带整流负载电路原理图

2爪极发电机效率和输出功率计算

效率是爪极发电机的一项重要性能指标,它的高低取决于运行时电机所产生的总损耗,总损耗越小,效率越高。

爪极发电机的损耗包括定子和转子铁心中的基本铁耗、励磁绕组和电枢绕组的铜耗、换向器损耗、电刷压降损耗以及风摩损耗等。

2.1　铁耗计算

爪极电机本体的主要损耗是定转子的基本铁耗,因此准确获得定子和转子的基本铁耗十分重要。利用三维瞬态有限元法求解电磁场,可获得各部分的磁密值,从而进一步获得其他物理量。

在3D有限元中,用基于棱边的求解器求解有限元涡流方程。用磁矢位A和电矢位T分别计算磁通密度B和电流密度J,即

(3)

在非涡流区域Ω1,求解A的计算公式如下:

(4)

其中,J0(t)为电流密度;Br为剩磁通密度;v为非线性磁导率;Ni为一个四面体棱单元的形状函数。

在涡流区域Ω2,计算公式如下:

(5)

(6)

其中，σ为线性电导率。

爪极发电机的主要参数见表1所列。

表1　爪极发电机的主要参数

采用三维瞬态有限元法计算电磁场,得电励磁爪极发电机的转子磁密矢量分布,如图4所示。

电机铁心各项损耗为：

(7)

其中,Kh为磁滞损耗系数;Kc为涡流损耗系数;Ke为附加损耗系数;Bmax为磁密的最大值;f为输出电流的频率。

由(7)式,采用三维瞬态有限元法计算得到各项铁耗参数为:磁滞损耗40.10 W;涡流损耗93.13 W;附加损耗12.58 W;总损耗145.81 W。转子铁心损耗分布如图5所示。

图4　转子磁密矢量分布图

图5　转子铁心损耗分布图

由图4和图5可以看出,磁密越大的位置处,铁心损耗越大。

2.2　电励磁爪极发电机效率计算

计算损耗和效率时,要尽可能精确地分开计算各种损耗。发电机的基本损耗包括机械损耗、定转子绕组铜耗、整流器损耗以及定转子中的铁耗等。爪极发电机的功率方程为:

(8)

(9)

其中,P1为输入功率;P2为输出功率；pCu1、pCu2分别为定子和转子的铜耗;pFe1、pFe2分别为定子和转子的铁耗;pmec为机械损耗;pDi为整流器损耗。

机械损耗一部分取决于齿轮,另一部分取决于风扇,可由(10)式计算得出,即

(10)

其中,pBe为轴承损耗;pVe为排气扇损耗;n0为同步转速。

定子绕组铜耗计算公式为:

(11)

其中,I1为基波电流有效值;R1为电枢绕组电阻。

整流器损耗计算公式为:

pDi=3KD(UT+I0RB)I0

(12)

其中,UT为门槛电压;RB=4.3mΩ，为体电阻;KD为校正系数,取KD=1.14,其中包括二极管的附加换相损耗;I0为整流器线电流。

因此,发电机效率计算公式为:

(13)

经过场路耦合计算,电励磁爪极发电机A相感应电动势波形、A相电流波形以及整流后负载电流波形如图6所示。

图6　电励磁爪极发电机输出特性

采用场路耦合法,计算得到额定负载下电励磁爪极发电机的性能参数,见表2所列。由表2可以看出,电励磁爪极发电机的总损耗较大,效率很低。

表2　电励磁爪极发电机额定负载性能参数

2.3　爪极发电机最大输出功率计算

为了和电励磁爪极发电机比较,需要计算电励磁以及混合励磁爪极发电机的最大输出功率。

对于在爪极间嵌入永磁体的混合励磁爪极发电机,永磁体的磁化方向为切向,作用主要是增加主磁通和减少爪极间的漏磁通。钕铁硼(N30EH)永磁体内的磁场分布如图7所示。

图7　钕铁硼永磁体内的磁场分布

在输出电压恒定的情况下,电励磁爪极发电机的最大输出功率以及混合励磁爪极发电机在相同结构参数、2种不同永磁材料情况下的最大输出功率如图8所示。

图8　3种电机最大输出功率

从图8可以看出,由于钕铁硼磁性能优于铁氧体,所以钕铁硼(N30EH)混合励磁爪极发电机比铁氧体混合励磁爪极发电机的输出功率大,且铁氧体(Y30BH)混合励磁爪极发电机比电励磁爪极发电机的输出功率大。

3电励磁爪极发电机样机测试

在理论分析的基础上,研制了电励磁爪极发电机样机。电励磁爪极发电机转子如图9所示。

图9　电励磁爪极发电机转子

使用汽车发电机测试系统,在输出电压恒定的前提下,对样机不同转速时最大输出功率进行了实测。计算值与实测值如图10所示,从图中可以看出,两者具有较好的一致性。

图10　电励磁爪极发电机计算值与实测值

4结束语

由于爪极结构的特殊性,需要采用三维数值方法求解。

场路耦合分析方法不仅可以精确获得电机内部电磁场,而且能够精确获得电机运行特性。首先通过建模、加载和后处理等,采用三维瞬态有限元法计算电机电磁场,获得铁心损耗;同时采用耦合电路分析方法来计算铜耗以及整流电路损耗等;并进一步计算得到电励磁爪极发电机的效率;在输出电压恒定的前提下,计算了电励磁爪极发电机和混合励磁爪极发电机在相同结构参数下的最大输出功率。计算结果表明,钕铁硼混合励磁爪极发电机比铁氧体混合励磁爪极发电机的输出功率大,且两者均比电励磁爪极发电机的输出功率大。最后对电励磁爪极发电机样机输出性能进行了实测,计算值与实测值的一致性验证了计算结果的有效性。本文的研究为爪极发电机的性能分析与优化设计提供了一定的理论参考。

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(责任编辑胡亚敏)

Output power and efficiency computation of claw-pole alternators based on field-circuit coupled method

NI You-yuan1, HE Qiang1, LANG Xu-chu2, DENG Ze-xuan2

(1.School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Zhejiang Add Auto-Parts Co., Ltd., Huzhou 313000, China)

Abstract:For the three-dimensional(3-D) magnetic field distribution of the claw-pole alternator, a 3-D numerical method is required. The iron losses of the alternator were obtained by using a 3-D transient finite element method. Using the field-circuit coupled method, the efficiency of the electric excitation claw-pole alternator under the rated load was computed, and the maximum output power of both the electric excitation claw-pole alternator and the hybrid excitation claw-pole alternator was computed. The measured results of the electric excitation claw-pole alternator verified the effectiveness of the computation results.

Key words:field-circuit coupled method; claw-pole alternator; 3-D transient finite element method; electric excitation; hybrid excitation

中图分类号:TM341

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2015)03-0314-05

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.03.006

作者简介：倪有源(1976-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

基金项目：浙江省湖州市重大科技专项资助项目(2013ZD2008)

收稿日期：2014-03-05；修回日期：2014-06-04