大電流混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真

引言

爪極發(fā)電機(jī)由于制造簡單、成本低被廣泛應(yīng)用于汽車、航空等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)效率低,體積大。混合勵(lì)磁是在原有電機(jī)的基礎(chǔ)上稍作改動(dòng),加上永磁體勵(lì)磁,可以提高電機(jī)效率,同時(shí)保持原有電機(jī)控制系統(tǒng)不變。通過分析電勵(lì)磁爪極電機(jī)可知,電機(jī)爪之間沒有任何物體,容易出現(xiàn)極間漏磁,因此可以在爪極之間放置一個(gè)永磁體以減少極間漏磁,同時(shí)還可以增加主磁通。爪極間的永磁體充磁方向與兩個(gè)爪的極性相反,可以引導(dǎo)轉(zhuǎn)子磁通盡可能通過定子形成回路,減少漏磁的同時(shí)提高電機(jī)效率。通過極間放置永磁體,電機(jī)效率可以提升20%,相同的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以發(fā)出更多的電能。采用混合勵(lì)磁不僅提高了電機(jī)效率,在一定程度上降低了損耗,還可以解決電機(jī)發(fā)熱問題。

本文通過分析不同結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī),結(jié)合電機(jī)的輸出指標(biāo)要求,設(shè)計(jì)了一臺(tái)12極36槽的混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)。

1混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

1.1混合勵(lì)磁方式的選擇

爪極發(fā)電極的混合勵(lì)磁分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種不同的勵(lì)磁方式。

并勵(lì)式混合勵(lì)磁將永磁體置于爪極之間,電勵(lì)磁磁路與永磁體磁路是并聯(lián)關(guān)系,電機(jī)在不增大勵(lì)磁電流的情況下增大了氣隙磁密,提高了電機(jī)的效率:同時(shí)通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可調(diào)節(jié)氣隙磁場,故該混合勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)同時(shí)具有永磁發(fā)電機(jī)的高效率和電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)電壓可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。

串聯(lián)式混合勵(lì)磁在轉(zhuǎn)子輒部添加一塊永磁體,電勵(lì)磁磁路與永磁體磁路是串聯(lián)關(guān)系。由于永磁體勵(lì)磁與電勵(lì)磁是串聯(lián)關(guān)系,當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過高時(shí),需要很大的反向電勵(lì)磁電流才能使電機(jī)的輸出電壓保持在調(diào)節(jié)范圍內(nèi),同時(shí)過大的勵(lì)磁電流會(huì)導(dǎo)致永磁體的不可逆失磁。

綜上,本爪極發(fā)電機(jī)選用并勵(lì)式混合勵(lì)磁方式。

1.2電樞繞組端部連接方式的選擇

電樞繞組端部連接分為星接和角接兩種方式。星形接法是將各相繞組的一端接在一點(diǎn),另一端作引出線,分別作為三個(gè)相線,其線電壓大約是相電壓的1.732倍,線電流等于相電流:角形接法是將各繞組首尾依次相連,將每個(gè)連接點(diǎn)引出線作為三個(gè)相線,其線電壓等于相電壓,線電流大約是相電流的1.732倍。

由電機(jī)學(xué)原理可知,三相交流發(fā)電機(jī)的星接與角接各有優(yōu)勢。星接繞組優(yōu)勢是當(dāng)三相繞組沒有對稱時(shí)(實(shí)際生產(chǎn)繞組不可能絕對對稱),不會(huì)在繞組內(nèi)形成環(huán)流,可減少發(fā)熱,提升效率:角接繞組優(yōu)勢是電樞繞組的相電流會(huì)減小,當(dāng)電機(jī)額定電流大時(shí)可采用角接方式。

綜上,根據(jù)爪極發(fā)電機(jī)額定電流大的特點(diǎn),電樞繞組選用角接方式。

2仿真分析

混合勵(lì)磁爪極電機(jī)轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)使其磁場分布較復(fù)雜,有明顯的三維特性。采用傳統(tǒng)的等效磁路方法很難完全反映電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況。而三維有限元方法的計(jì)算準(zhǔn)確度比較高,適用于三維磁場。本文所設(shè)計(jì)的混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)如表1所示,使用UG建立電機(jī)的三維模型,如圖1所示。

對轉(zhuǎn)速為3500r/min時(shí)的電機(jī)負(fù)載特性進(jìn)行仿真,在額定直流側(cè)電阻負(fù)載情況下直流電壓為28.8V,直流電流為296.8A,滿足設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)子和定子的負(fù)載磁密除爪部和齒部局部磁密飽和外,其余部分磁密均處于材料磁化曲線的線性區(qū),沒有出現(xiàn)磁路飽和現(xiàn)象。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和三維仿真的準(zhǔn)確性,制造了兩臺(tái)樣機(jī)。表2為兩臺(tái)混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)樣機(jī)的負(fù)載實(shí)測與仿真數(shù)據(jù),負(fù)載轉(zhuǎn)速與仿真條件一致,通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使電機(jī)輸出額定功率?？梢钥闯?兩臺(tái)樣機(jī)負(fù)載性能的測試值與仿真值誤差較小,實(shí)際測量的負(fù)載輸出功率比仿真值略小,主要是由工藝、材料特性和測量環(huán)境等因素造成。

4結(jié)論

本文通過分析不同爪極發(fā)電機(jī)不同的混合勵(lì)磁方式和電樞繞組的連接方式,設(shè)計(jì)了一臺(tái)l2極36槽的并勵(lì)式混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)。通過分析混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的工作特性,得出了爪極電機(jī)的三維電磁場有限元計(jì)算原理,并對所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元三維模型仿真。為了驗(yàn)證混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和三維仿真的準(zhǔn)確性,制造了兩臺(tái)電機(jī)樣機(jī),實(shí)測數(shù)據(jù)表明,在額定最低轉(zhuǎn)速,勵(lì)磁電流低于5A時(shí),電機(jī)能輸出額定28V的電壓、8kw的功率,實(shí)測值與仿真結(jié)果基本一致,表明該仿真分析對混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。