车辆用交流发电机发电性能仿真分析计算方法

张志华

(锦州汉拿电机有限公司，辽宁锦州 121013)

0 引言

Ansoft软件包含了高频、低频、线路板及封装等仿真模块，涉及电机电磁仿真计算方面的主要有 Rmxprt、Maxwell2D、Maxwell3D、Simplore 四个模块。其中Rmxprt包含了常见的三相感应电动机、单相感应电动机、永磁直流无刷电机、永磁直流电机、开关磁阻电机、通用电动机、爪极交流发电机等参数化计算模型。通过Rmxprt可自动生成Maxwell2D/3D模型文件，同时也可以为Simplore系统分析提供封装的电机元件模型。

本文将利用Ansoft软件中的Rmxprt(爪极交流发电机模型)和Simplore两个模块，对车辆用交流爪极发电机的发电性能进行系统分析，来评价爪极发电机电磁参数的设计是否符合要求。

JFZ系列型号爪极交流发电机常用于12 V乘用车车载系统，为整车用电设备供电，同时为蓄电池充电。发电机的发电性能是整车用电匹配极其重要的技术参数，也是发电机产品设计最先关注的焦点。以往对发电机性能的调整是依据整车技术条件的要求，通过复杂的理论计算来修改电磁参数，然后做手工样机进行试验验证。通常情况下，由于理论计算时涉及的经验系数选取、计算模型合理性等问题的限制，导致试验结果与理论计算偏差较大，而且计算过程较为复杂，依赖于设计者掌握电机知识的程度，整个设计计算过程不易于推广和工程化。本文利用Ansoft软件可解决以上不足。

1 建立爪极交流发电机模型

在Rmxprt模块中所建立的爪极发电机模型只可计算三相交流输出，为了能获得整流后输出的直流性能数据，需要在Simplore软件中进行整流和加负载的系统仿真计算。但是在Simplore软件中所用的电机元件模型，就是用Rmxprt模块建立的。

首先进入Ansoft软件的Maxwell界面，按照图1所示的流程进行操作，其中模型的结构及电磁参数按表1～表3的内容进行填写。

图1 Rmxprt计算流程图

表1 整机参数

表2 定子总成参数

表3 转子总成参数

在设置接线方式时，需在Design Settings→User defined data中将enable选项钩选上，然后再重新进入，并在文本框内输入编辑:“Connection 1”。其中“Connection”的首写字母C必须是大写，否则是无效的。数字“1”表示的是角接;如果是星接，可将“1”改为“0”。

其他参数设置按表1～表3数据填写即可。

分析计算结束后，通过 Analysis setup→Export→simplore model..对话框，将爪极发电机模型导出成*.SML文件，将 SML文件导入到Simplore软件中，即可作为爪极交流发电机元件，来搭建系统仿真电路，从而进行发电机的系统仿真分析。

2 建立系统仿真模型

Simplore是Ansoft的一个独立的系统仿真软件，其不但可以将Rmxprt导出的SML文件导入其中，当做一个元件进行系统级的仿真，还可以Mmaxwell2D/3D进行双向或单向联合仿真。

本文针对JFZxxxx发电机进行整流系统仿真计算，以求其发电性能。其操作流程与Rmxprt类似。首先打开Simplore软件，新建一个项目，将Rmxprt导出的SML文件导入该项目中，将该电机元件模型放置绘图区。其他电子元件在“project manager”窗口下，选择“component”标签，并将其展开，在“Basic Elements”中的“Circuit”文件中选择所需元件。各元器件可按表4中所指路径查找添加，按图2(爪极发电机整流系统仿真电路图)布置即可。同时修改各元件参数。

表4 系统仿真元件参数

图2 爪极发电机整流系统仿真电路图

各元件按图2布置连接完成后，在该项目下的“Analysis”中添加“Options”，并在“Options”窗口内设置最大迭代数为40。在瞬态分析“TR”中设置仿真时间为20 ms，最小时间步长为5 e-7 s，最大时间步长为5 e-5 s。

负载电阻的阻值可通过两种方法确定:

(1)反复修改负载阻值，使整流输出的电压平均值接近13.5 V来确定负载电阻;

(2)将负载电阻值设置为变量，并对该变量进行扫描计算。计算完成后，在Simplore的后处理“Results”下新建一个负载电阻的电压曲线，同时将负载电阻的所有值均选上;然后将所有曲线作5～20 ms间平均值，从中查找接近13.5 V的输出电压性能曲线，以确定该电压值对应的负载电阻。

通过确定的负载电阻，可作出该负载条件下的输出电流曲线;然后再对该电流曲线作5～20 ms的平均值，即得到了该转速下，输出13.5 V电压的情况下的发电机发电性能。

通过以上操作过程，可以得出发电机转速在1 800 r/min，整流后输出平均电压为13.5 V时，负载电阻为188 mΩ。该负载条件所对应的发电性能，即整流输出电流平均值为71.8 A，其发电性能曲线如图3所示。其他转速的发电性能同样按上述的方法操作获得。

图3 发电机整流输出电流曲线

3 系统仿真分析数据与手工样机试验数据对比

通过Simplore的系统仿真分析计算后，在后处理“Results”新建一个负载电阻的电流曲线。操作过程:右击 Results选择 create standard report→rectangular plot..出现 report窗口，先在Category列表框中选择“ALL”，之后在Quantity列表框里会显示出相关参数，在其中选择Load.I或AM1.I皆可。点击NewReport按钮，即可生成负载电流曲线。对该电流曲线作5～20 ms的平均值计算。操作过程:在曲线图形区点击鼠标右键，选择 trace characteristics→Add...，打开了 Add trace characteristics窗口，在category中选择Math，在Function中选择Avg，在下面的表格中，range选择specified，起始值设置为5 ms，结束值设置为20 ms。点击“done”按钮，即可在电流曲线图形中显示5～20 ms间的电流平均值，如图3所示，其Load.I的平均值为 71.792 7A。

通过上述操作，可依次计算出各转速下的输出电流。经计算，如表5所示。将仿真数据与手工样机试验数据进行对比，最大偏差率在4.5%以内，尤其在额定转速6 000 r/min时，其偏差率仅为1.09%。故，该仿真模型的建立和分析方法的设计是可靠的。

表5 仿真数据与试验数据对比

4 结语

爪极发电机具有结构紧凑，功率体密度高等优点，被广泛应用于汽车行业。其作用是将发动机输出的机械功率转换为电功率，其结构特点如下:定子上嵌有多相电枢绕组，其极数与转子相同。转子上装有较特殊的前、后爪形磁极，这种磁极结构有利于在转子直径较小的情况下，安排较多的磁极。爪极转子上装有励磁绕组或永磁体。发动机通过皮带传动带动发电机转子旋转，在气隙中产生旋转磁场，该磁场会在定子绕组中产生交流感应电压，绕组各相通过整流桥将交流电转换成直流电，以供车载电器设备用电和蓄电池充电。

本文通过使用Ansoft软件中的Rmxprt模块和Simplore软件，有效快速的对爪极发电机电磁参数的设计方案进行了仿真分析和验证，其结果是可信的。通过该方法也可针对电磁参数中的某一数据反复分析调整，以获取电机整体参数匹配的最优方案。该方法不仅可以提高产品开发的效率，还可以减少物理样机反复开发的修正次数，节约了开发成本，为产品尽快推向市场，提供了技术保障。