新型爪极发电机的电磁分析范文

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《微特电机杂志》2016年第二期

摘要:

针对爪极式发电机的特殊结构使得气隙间漏磁比较严重的现象，提供了一种爪极间安装有条形永磁体的16爪新型爪极发电机结构。通过逆向工程获得该发电机的三维模型，利用Ansoft软件中的Maxwell3D模块进行了空载励磁分析，论证了该款发电机的优异性能，为爪极发电机的结构设计和磁场分析提供了理论参考。

关键词:

爪极发电机;漏磁;永磁体;Maxwell

随着社会的发展，生活水平的提高，汽车作为主要代步工具，在人们的出行中得到了越来越广泛的应用。伴随着人们对汽车舒适性的更高要求，汽车内空调、电动座椅等电器元件的应用，使得汽车发电机性能的要求也越来越高。爪极发电机因其容易制造、成本低而被广泛的应用，但是因为爪极电机本身结构的特殊性，使得电机漏磁较大［1］。针对现有技术中存在的上述问题，在发电机前后爪极之间镶嵌呈长条状永磁体(简称磁条)，可以大大增加爪极的导磁性能，从而显著增加发电机的输出功率和效率，使爪极发电机的发电性能得到显著改善。传统的发电机设计，常采用经验公式来计算和修改电磁参数，根据整车的技术要求对发电机性能进行调整，通过对手工样机进行试验验证。该种方法不仅计算过程复杂，而且分析结果与实际常有较大偏差［2］。而有限元技术的发展应用，则很好地解决了复杂的结构分析以及精确分析等计算问题。有限元技术的应用，使产品无需大量复杂的试验，通过仿真计算方法即可验证所设计产品的合理性与可靠性，从而得出最佳产品设计方案，减少产品试验以及制造时所需成本。本文利用有限元法从理论上验证了该款发电机的优越性，并对发电机的漏磁做了定量分析，并提出了优化改进的方法。

1爪极电机模型的建立

针对爪极发电机模型的建立主要有以下三种方式［3］:一，根据发电机的实际尺寸数据，在Ansoft软件的Rxmprt模块中可直接生成Maxwell3D模型;二，通过第三方软件(CATIA、Pro/E等)进行模型的建立然后导入Ansoft中;三，在Rxmprt建立基本的模型后导出，再利用第三方软件进行细节的调整和修改得整体模型。在以上所述方法中，第二种方法因为专业三维绘图软件的应用，使用较为简便。本文所研究发电机是一款韩国进口发电机，8对爪极，48槽结构，模型的建立是通过逆向工程来获取的，逆向所得模型导入Ansoft中如图1所示。转子部分由8对爪极、励磁绕组、永磁体组成。定子包括三相绕组和铁心，共有48槽。对发电机完整的有限元分析主要包括需要以下几个步骤［4］，如图2所示。

2空载磁场的分析

对于前后爪极之间镶嵌呈长条状永磁体的该款发电机，空载时的主磁通是由电励磁磁通以及永磁励磁磁通两部分并联组成的。其中由励磁绕组通电产生的主磁通闭合路径如图3所示，从图3中可以看出，主磁通的流经路线为:爪极N极－气隙－定子齿－定子轭－定子齿－气隙－爪极S极－转子磁轭－爪极N极，主磁通流经电机各部件形成了一个闭合回路［5］。另外，由附加的永磁体产生的另一部分主磁通同样形成一个闭合回路:永磁体N极－爪极N极－气隙－定子齿－定子轭－定子齿－气隙－爪极S极－永磁体S－永磁体N极。在永磁体充磁之前，必须根据绕组电流方向确定爪极的N/S极，使永磁体的S(N)极与爪极的S(N)极在同一方向，如图4所示，利用磁性材料同性相斥的原理，将磁感线尽可能地通过气隙进入定子，避免N，S极间形成回路，从而达到通过加永磁体实现增加气隙磁通、减小了爪极之间的漏磁通、提高了发电机效率的目的。永磁体的性能在很大程度上影响电机的性能，所以永磁体材料的选取很重要，综合考虑磁性材料的磁性能以及热稳定性等因素，选取了剩磁密度为1．23T、矫顽力为885kA/m、型号为N38UH的钕铁硼。给励磁绕组通以5A的励磁电流，计算发电机在额定转速6000r/min时的空载状态，得仿真后有无磁条结构的发电机空载磁力线分布图如图5所示。通过对图5的观察可以发现，仅通过电励磁的方式产生的磁感线，大部分在转子间形成了回路，而在爪极间加入磁条后的发电机得到了明显改善。因为由永磁体产生的主磁通与励磁绕组通电之后产生的主磁通是并联关系，故可以在不增加励磁电流的前提下增大了气隙磁密的输出，进而提高了发电机的效率。

图6无永磁体与带有8个永磁体的对比如图7所示，通过在XY平面气隙处画一条圆弧线的方式［6］得空载时气隙磁密云图，然后在Ansoft软件后处理器得空载有无磁条的气隙线路径上磁密变化曲线对比图，如图8所示。除上述结果外，还得出了空载时，有无长条永磁体气隙磁通量对比曲线图，如图9所示。从图9中可以明显地看出，利用永磁体使得磁通量得到明显的提高，漏磁通从23．7%减小到8%。

3结语

本文通过逆向工程获得了爪极发电机的三维模型，利用Ansoft软件中的Maxwell3D模块对该款发电机进行了空载励磁分析，从理论和分析结果两方面论证了在发电机前后爪极之间镶嵌永磁体可以大大增加爪极的导磁性能，达到提高发电机的输出功率和效率的目的。并为后续的负载分析以及结构优化奠定了基础。

作者：李卫民 马平平 单位：辽宁工业大学