混合励磁爪极发电机空载漏磁计算与结构优化

曹金祥，岳峰丽

（沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 110159）

混合励磁爪极发电机空载漏磁计算与结构优化

曹金祥，岳峰丽

（沈阳理工大学 汽车与交通学院，沈阳 110159）

为研究不同结构变量对混合励磁爪极发电机空载漏磁系数的影响，利用JMAG三维电磁场有限元软件，分析在不同结构参数下空载漏磁系数，并设计正交实验，确定最优结构参数。结果表明，混合励磁爪极发电机空载漏磁系数与定子内径和爪极根部厚度呈正增长关系，与定子外径和定子铁心有效长度呈负增长关系，与转子铁心内径几乎无正负增长关系。这为爪极发电机的参数设计、漏磁分析和结构优化等提供了理论基础和实践参考。

爪极发电机；混合励磁；空载漏磁；最优结构

0 引 言

近年来，随着新能源汽车市场的持续火爆，以及人们对汽车舒适性、经济性和安全性等方面的要求越来越高，使得汽车上的电子设备不断增加，传统的电励磁爪极发电机已不能满足供电要求[1-2]，亟需研制出高输出功率的发电机。本文设计一种特殊结构的混合励磁爪极发电机，其气隙磁场由电励磁和永磁励磁并联共同提供，转子的两个爪极间放有切向充磁的钕铁硼永磁体，取消电刷结构。与传统发电机明显不同，混合励磁爪极发电机的定子与机壳之间无隔磁层，磁通不通过端盖与机壳，磁路比较短，且其中的磁场不会干扰四周的电子装置[3-4]。

目前，国外学者已对混合励磁爪极发电机的电磁场性能、噪声振动、动态仿真及涡流损耗等做了相关分析和研究[5-9]。国内学者对多种结构的混合励磁爪极发电机进行研究，如利用三维有限元方法对串联磁路混合励磁爪极发电机的极对数和磁钢厚度进行优化[10]，但此电机的串联磁路会使永磁体不可逆退磁；建立一种并联磁路的混合励磁爪极发电机的等效磁路模型，仿真分析得到气隙磁密与各参数之间的变化关系曲线[11]，但此电机没有实现无刷化，工作可靠性不高；计算一种混合励磁无刷爪极发电机的电感参数[12]，尽管此电机的磁路是并联关系，且实现了无刷化，但其定子与壳体间放有隔磁层，磁通会通过端盖和机壳干扰四周的电子装置。本文采用日本JSOL公司开发的JMAG三维电磁场有限元软件，分析在不同结构参数下并联磁路混合励磁无刷爪极发电机空载漏磁系数，并设计正交实验，确定最优结构参数。

1 混合励磁爪极发电机有限元分析

1.1 三维电磁场有限元计算的基本原理

在静态场中，电机的磁场可看作三维恒定磁场，磁场强度H 和电流密度J 满足安培环路定律，即：

根据Maxwell方程，可知：

其中B为磁感应强度。

又由于H=B/μ，μ为磁导率，因而可得：

再根据B=·A，可得：

其中A为矢量磁位。由于磁阻率v=1/μ，故（4）式可表示为：

最后根据能量最小原理和高斯定理，求出矢量磁位A，继而求得磁感应强度B和磁场强度H等物理量。

1.2 三维模型的建立及网格模型的划分

参照电机主要参数（见表1），建立电机三维实体模型（见图1）。电机三维实体模型主要由定子、爪极式转子、电枢绕组等组成。定子由有槽铁心和三相对称绕组组成，与普通三相交流发电机相同，一般采用星型联接。爪极式转子由两个焊接在一起的爪极、励磁绕组、磁轭、永磁体及转子轴等结构组成[13]。其中，定子和爪极材料为软磁50JN1300硅钢片，叠片系数为0.98，励磁绕组和电枢绕组材料为铜导线，永磁体型号为NEOMAX-42的烧结钕铁硼，剩磁Br为1.28T，最大磁能积 (B×H )max为322KJ/m3，磁感矫顽力Hcb为1 000KA/m，内禀矫顽力Hcj为955KA/m。

表1 混合励磁爪极发电机主要参数

图1 混合励磁爪极发电机三维实体模型

由于爪极转子的特殊结构，导致其磁路复杂、不规则，具有明显的三维特性，利用传统的等效磁路法难以保证计算精度，因而采用计算精度高的三维有限元方法进行分析求解[14-15]。利用JMAG三维电磁场有限元软件，通过对模型赋予材料、设置电路、添加边界条件及求解设置等操作后，得到电机有限元网格模型（见图2），计931 377个单元、273 028个节点。

图2 混合励磁爪极发电机有限元网格模型

1.3 结构参数对空载漏磁的影响

在励磁电流为5A、额定转速为4 000r/min的条件下，改变定子内径、定子外径、定子铁心有效长度、转子铁心内径和爪极根部厚度5个结构参数，在JMAG电磁场软件中分别建立电机模型，并进行空载仿真分析，计算出总磁通和有效磁通，最终可得每个变量下空载漏磁系数。

当定子内径逐渐增加，即气隙逐渐增大时，其对电机空载漏磁系数的影响见表2。由表2可知，总磁通和有效磁通均减少许多，空载漏磁系数反而增加，即空载漏磁系数与定子内径呈正增长关系。

当定子外径逐渐增加时，其对电机空载漏磁系数的影响见表3。由表3可知，总磁通和有效磁通均增加许多，空载漏磁系数反而减小，即空载漏磁系数与定子外径呈负增长关系。

当定子铁心有效长度逐渐增加时，其对电机空载漏磁系数的影响见表4。由表4可知，总磁通和有效磁通均增加许多，空载漏磁系数反而减小，即空载漏磁系数与定子铁心有效长度呈负增长关系。

当转子铁心内径逐渐增加时，其对电机空载漏磁系数的影响见表5。由表5可知，总磁通和有效磁通的变化微乎其微，漏磁系数的变化也微乎其微，即空载漏磁系数与转子铁心内径几乎无正负增长关系。

当爪极根部厚度逐渐增加时，其对电机空载漏磁系数的影响见表6。由表6可知，总磁通和有效磁通均增加许多，空载漏磁系数也随之增加，即空载漏磁系数与爪极根部厚度呈正增长关系。

表2 定子内径对混合励磁爪极发电机空载漏磁系数的影响

表3 定子外径对混合励磁爪极发电机空载漏磁系数的影响

表4 定子铁心有效长度对混合励磁爪极发电机空载漏磁系数的影响

表5 转子铁心内径对混合励磁爪极发电机空载漏磁系数的影响

表6 爪极根部厚度对混合励磁爪极发电机空载漏磁系数的影响

2 混合励磁爪极发电机结构优化

通过分析不同结构参数下空载漏磁系数变化情况，可得到优化电机结构所需的目标函数、参数及约束边界条件，再设计正交试验，最终可得到最优结构参数。

2.1 优化表达式

优化目标函数f(x)为：当合理选择电机结构参数时，使电机的有效磁通量最大、漏磁通最小，即电枢绕组所匝链的磁链最大。选择需要优化的参数，即定子内径d、定子外径D、定子铁心有效长度l、转子铁心内径c和爪极根部厚度h为设计变量，约束边界条件是每个设计变量的最大值和最小值。确定上述优化目标、优化参数和约束边界条件后，得到优化表达式为：

2.2 设计正交试验

把影响电机输出性能的5个主要结构参数当作5个因素，每个因素取4个水平，可得到电机结构参数水平（见表7）。由表7建立一个L16(45)的正交试验（见表8），对16组结构参数在JMAG电磁场软件中建模仿真分析，最后得到极差分析结果。

表8中，S(i=1, 2, 3, 4)为同一水平之和；A(i=1,ii2, 3, 4)为同一水平的平均值；R为极差，等于max (A)i减去min (A)，R值越大，表示该因素的变化对电机性i能影响越大，因素越重要。由此计算出最优结构下磁链为0.036 82Wb，大于未优化前的16组值，证明所选结构为最优组合。

表7 混合励磁爪极发电机结构参数水平 mm

3 结 论

计算混合励磁爪极发电机空载状态时不同结构参数下总磁通和有效磁通，继而求出漏磁系数，并设计正交实验，确定最优结构参数。结果表明，混合励磁爪极发电机空载漏磁系数与定子内径和爪极根部厚度呈正增长关系，与定子外径和定子铁心有效长度呈负增长关系，与转子铁心内径几乎无正负增长关系。这为爪极发电机的参数设计、漏磁分析和结构优化等提供了相关理论参考，对改善汽车发电机的输出性能、提高其功率和效率具有一定的实践指导意义。

表8 混合励磁爪极发电机正交试验结果

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[14] 刘金鹏，庄圣贤，周娟，等.基于Ansoft的爪极发电机漏磁分析与优化设计[J].电机与控制应用，2013，40（6）：11-13，26．

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[责任编辑：石品德]

Calculation and Structure Optimization of Mixed Excitation Claw Pole Generator No-load Leakage

CAO Jinxiang, YUE Fengli
(School of Automotive & Transportation, Shenyang Li Gong University, Shenyang, 110159, China)

In order to study the effect of different structural variables on the coefficient of mixed excitation claw pole generator no-load leakage, efforts have been made to use JMAG 3D electromagnetic f eld f nite element software to analyze the no-load leakage coefficient with different structural parameters, and to design orthogonal experiment and then determine the optimum structural parameters. As the result demonstrates there exists a positive growth relation between mixed excitation claw pole generator no-load leakage coef f cient and stator inner diameter, and the root thickness of claw pole while there exists negative growth relation between stator outside diameter and the effective length of stator core. But neither positive nor negative growth relation is revealed between that and rotor core inner diameter. This study is helpful for parameter designing of claw pole gener ator, leakage analysis and structure optimization as theoretical and practical experience.

Claw pole generator; Mixed excitation; No-load leakage; Optimum structure

TM31

A

1671-4326 (2017) 01-0048-05

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2017.011

2016-07-21

曹金祥（1992—），男，辽宁大石桥人，沈阳理工大学汽车与交通学院硕士研究生；岳峰丽（1970—），女，辽宁沈阳人，沈阳理工大学汽车与交通学院副教授，硕士.