基于三維有限元的混合勵(lì)磁爪極電機(jī)仿真研究

杜 飛，姚舜才，王曉丹，安 坤

(中北大學(xué)，太原 030051)

0 引 言

爪極電機(jī)由于轉(zhuǎn)子部分做成鳥(niǎo)爪狀，磁極相互交錯(cuò)形成而得名。由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造成本低廉，被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，尤其是運(yùn)用于汽車發(fā)電機(jī)時(shí)，更具有優(yōu)勢(shì)[1]。隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車上配備的電子產(chǎn)品增多，但是汽車電池容量沒(méi)有明顯增強(qiáng)[2]，如何獲得高效率電機(jī)是現(xiàn)代車用發(fā)電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

常用的爪極發(fā)電機(jī)有兩種勵(lì)磁方式：電勵(lì)磁和永磁勵(lì)磁。電勵(lì)磁在兩爪極的軛部放置一個(gè)勵(lì)磁線圈形成勵(lì)磁磁場(chǎng)將兩爪極磁化為N，S兩極。電勵(lì)磁爪極電機(jī)制造成本較低，磁場(chǎng)易調(diào)節(jié)，但同時(shí)故障率高，損耗較大[3]。永磁爪極電機(jī)一般兩爪極采用相同永磁材料，但磁化為不同磁極，此類電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能提高電機(jī)功率密度，但磁場(chǎng)穩(wěn)定難調(diào)，滅磁困難[4]。

使用混合勵(lì)磁方式是爪極電機(jī)研究的一個(gè)重點(diǎn)方向，根據(jù)永磁體安放的位置不同，可以實(shí)現(xiàn)不同的混合勵(lì)磁方式。在爪極電機(jī)的兩爪極交錯(cuò)的空隙之間放入切向充磁的永磁體，可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)混合勵(lì)磁[5]，永磁體的安放主要解決，爪極電機(jī)極間漏磁現(xiàn)象。爪極電機(jī)軛部與勵(lì)磁線圈之間增加軸向充磁的永磁體，可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)方式的混合勵(lì)磁[6]，永磁體的安放主要解決氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)。另外，還有一種在爪極電機(jī)磁極根部放入軸向充磁的永磁體，形成并聯(lián)混合勵(lì)磁[7]，永磁體的安放主要提高了爪極電機(jī)端部空間的利用率。

本文研究一種新型并聯(lián)混合勵(lì)磁方式，介紹了新型并聯(lián)混合勵(lì)磁的勵(lì)磁原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用Ansoft軟件，運(yùn)用三維有限元法對(duì)新型爪極電機(jī)進(jìn)行了建模和電磁仿真。結(jié)果表明，采用新型并聯(lián)混合勵(lì)磁方式，在相同勵(lì)磁電流條件下，能夠獲得更高的磁場(chǎng)性能，提高了爪極電機(jī)的電樞電流，并且可以實(shí)現(xiàn)爪極電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)。

1 新型爪極電機(jī)混合勵(lì)磁原理

新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)主要由定子、兩爪極、永磁體環(huán)、電勵(lì)磁線圈和轉(zhuǎn)軸等部件組成。在爪極軛部空間放置電勵(lì)磁磁環(huán)實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁。在兩爪極軛部中間放置一塊永磁體環(huán)，與中心軸線成對(duì)稱結(jié)構(gòu)。永磁體環(huán)的充磁方向與電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向一致。

勵(lì)磁磁環(huán)通入一定電流后，電機(jī)的磁場(chǎng)由電流勵(lì)磁磁場(chǎng)和永磁體磁場(chǎng)進(jìn)行并聯(lián)疊加，形成混合勵(lì)磁磁路，主磁路首先由永磁體所處的N極方向，經(jīng)過(guò)爪極軛部和爪極部分，進(jìn)入電機(jī)氣隙部分。之后繞經(jīng)定子、定子齒部再次進(jìn)入氣隙，然后進(jìn)入相鄰爪極、爪極軛部，最終回到永磁體S極。另外，電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁路與主磁路重合，不同的是，爪極軛部因?yàn)橛来朋w環(huán)的存在，電勵(lì)磁磁路經(jīng)過(guò)中間軛部時(shí)要穿過(guò)永磁體環(huán)，其磁路模型如圖1所示。

當(dāng)勵(lì)磁磁環(huán)不通入電流時(shí)，永磁體可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)作用，整個(gè)電機(jī)的磁路全部由永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)提供，磁場(chǎng)大小和永磁體的性能、尺寸有關(guān)。此時(shí)爪極電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自勵(lì)。

圖1 新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)磁路模型

通過(guò)對(duì)新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)的磁路分析，可以得出，與傳統(tǒng)爪極電機(jī)相比，當(dāng)實(shí)現(xiàn)混合勵(lì)磁時(shí)，磁場(chǎng)可以產(chǎn)生疊加效應(yīng)，通入相同勵(lì)磁電流可以獲得更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度；同時(shí)也可以根據(jù)電機(jī)實(shí)際需要進(jìn)行磁場(chǎng)調(diào)節(jié)，特別是在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)可以進(jìn)行弱磁控制。

2 有限元下的爪極電機(jī)模型

由于爪極電機(jī)兩爪極尖部和根部的極弧系數(shù)和厚度不一致，加上爪極電機(jī)的兩極交錯(cuò)排布，在建立爪極電機(jī)的模型時(shí)，二維模型已經(jīng)不能代表爪極電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)[8]，因此，對(duì)爪極電機(jī)的建模采用三維建模方式。同時(shí)，三維建模的方式也能提高爪極電機(jī)仿真結(jié)果的精度，所求解的結(jié)果比二維模型更為準(zhǔn)確[9-10]。

目前，對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)方面的研究采用Ansoft Maxwell軟件，但Maxwell在三維建模方面存在不少問(wèn)題，對(duì)于電機(jī)曲面的處理能力較弱[11]，特別是在處理爪極電機(jī)轉(zhuǎn)子爪極方面，已經(jīng)不能滿足需求。因此，為了更準(zhǔn)確建立起爪極電機(jī)的模型，采用專業(yè)繪圖軟件Solidworks對(duì)爪極電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行建模，而后導(dǎo)入Maxwell；定子、定子繞組、勵(lì)磁繞組、轉(zhuǎn)軸和永磁體部分選擇在Maxwell中一體建模。最終將兩部分模型進(jìn)行整合，形成完整的爪極電機(jī)模型。新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)主要參數(shù)

爪極電機(jī)由于結(jié)構(gòu)的特殊性，其模型復(fù)雜，而且研究電磁性能時(shí)只能采用三維模型，因此運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)。為簡(jiǎn)化模型，根據(jù)新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)結(jié)構(gòu)，建立等效六分之一模型進(jìn)行研究，具體模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。相比于傳統(tǒng)爪極電機(jī)，新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)在爪極軛部增加圓環(huán)形狀永磁體，充磁方向與勵(lì)磁磁場(chǎng)方向相同，通過(guò)混合勵(lì)磁，在不改變磁場(chǎng)大小情況下減小勵(lì)磁電流，從而減少勵(lì)磁損耗，提高效率。

圖2 六分之一電機(jī)模型

網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元分析的前提，網(wǎng)格的質(zhì)量和網(wǎng)格剖分的類型決定有限元計(jì)算的精度。一般來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量的離散網(wǎng)格，不僅要求有足夠多的節(jié)點(diǎn)數(shù)，同時(shí)還必須保證單元網(wǎng)格大小的合理性在使用Maxwell對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真時(shí)，剖分網(wǎng)格的稀疏直接關(guān)系到最終求解的準(zhǔn)確性，同時(shí)影響整個(gè)仿真時(shí)間，因此合理進(jìn)行網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元分析的重要步驟[12]。

Ansoft有獨(dú)立自主的網(wǎng)格剖分，可以不需要重新設(shè)置。軟件本身自帶的網(wǎng)格剖分有三種設(shè)置方式：On Selection設(shè)置主要作用在剖分模型的邊界上；Inside Selection設(shè)置主要作用在模型邊界層附近，針對(duì)模型內(nèi)部；Surface Approximation設(shè)置主要針對(duì)邊界是曲線的模型進(jìn)行剖分[13]。

由于爪極電機(jī)所建的模型為部分模型，邊界條件復(fù)雜，因此，在進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，不僅要使用軟件本身的剖分設(shè)置，在一些主要界面，特別是主磁路經(jīng)過(guò)不同材料的交界面時(shí)，需要手動(dòng)設(shè)置剖分，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。最終得到的網(wǎng)格剖分如圖3所示。

由圖3可知，在主要的接觸位置，將永磁體與爪極，爪極與氣隙，定子與氣隙之間進(jìn)行了細(xì)化工作。其中轉(zhuǎn)子部分共剖分5 581個(gè)單元，定子部分共剖分10 893個(gè)單元。

圖3 電機(jī)網(wǎng)格剖分圖

3 性能仿真結(jié)果分析

3.1 新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)性能分析

新型爪極電機(jī)由于結(jié)構(gòu)上的變化，因此對(duì)電機(jī)的仿真研究尤其重要，其中作為發(fā)電機(jī)時(shí)其額定狀態(tài)的仿真研究尤為重要[14]。因此，圖4給出了新型爪極電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，勵(lì)磁電流5.4 A時(shí)的定子和轉(zhuǎn)子的磁力線云圖。

(a) 新型電機(jī)轉(zhuǎn)子

(b) 新型電機(jī)定子

由磁力線云圖可以得出，在轉(zhuǎn)子上，由于新型爪極電機(jī)存在軛部永磁體，因此新型爪極電機(jī)磁力線密集部分集中在爪極的表面和永磁體附近的爪極軛部，在定子上，磁力線經(jīng)過(guò)定子齒向定子軛部?jī)蛇吚@經(jīng)定子齒回到氣隙。此外，作為發(fā)電機(jī)，電機(jī)的電樞電流、轉(zhuǎn)矩和磁鏈?zhǔn)侵匾闹笜?biāo)，圖5分別給出新型爪極電機(jī)的三相電流波形、轉(zhuǎn)矩波形和三相磁鏈波形。

(a) 三相電樞電流波形

(b) 轉(zhuǎn)矩波形

(c) 三相磁鏈波形

由圖5可以得出，在發(fā)電機(jī)額定狀態(tài)下，電機(jī)的電樞電流為99.57 A，磁鏈峰峰值為17.83 mV·s，由于爪極電機(jī)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，因此爪極電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為-11.13 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為1.14 N·m。電機(jī)具有比較好的特性。

3.2 新型混合勵(lì)磁與傳統(tǒng)電勵(lì)磁對(duì)比

新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)由于在轉(zhuǎn)子軛部增加了永磁體與原來(lái)電勵(lì)磁形成串聯(lián)混合勵(lì)磁，相比傳統(tǒng)電勵(lì)磁，增加了主磁路的磁通密度，使得整體磁密增大。電機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 r/min的額定狀態(tài)下，通入1 A的勵(lì)磁電流，得出新型爪極電機(jī)和傳統(tǒng)爪極電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁力線云圖,如圖6所示。

(a) 傳統(tǒng)爪極電機(jī)

(b) 新型爪極電機(jī)

爪極電機(jī)由于本身結(jié)構(gòu)特性，容易達(dá)到磁飽和狀態(tài)。新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)由于在主磁路部分增加了永磁體，相比于傳統(tǒng)爪極電機(jī)，在達(dá)到磁飽和狀態(tài)后，永磁體的存在會(huì)對(duì)主磁路產(chǎn)生影響。圖7為通入10 A勵(lì)磁電流狀態(tài)下新型爪極電機(jī)和傳統(tǒng)爪極電機(jī)轉(zhuǎn)子磁力線云圖。

(a) 傳統(tǒng)爪極電機(jī)

(b) 新型爪極電機(jī)

圖6和圖7表示，新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)由于存在永磁體，永磁體本身的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)整個(gè)電機(jī)磁路造成影響，會(huì)增大爪極電機(jī)總磁場(chǎng)強(qiáng)度。達(dá)到磁飽和之后，隨著勵(lì)磁電流的增大，永磁體對(duì)爪極電機(jī)的磁場(chǎng)影響就會(huì)減弱，甚至使爪極電機(jī)總磁場(chǎng)強(qiáng)度減小。對(duì)比圖4(a)和圖7(b)可以看出，分別在通入5.4 A和10 A勵(lì)磁電流時(shí)，新型電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁力線云圖變化不大，因此電機(jī)飽和勵(lì)磁電流在5.4 A左右。

作為發(fā)電機(jī)，電機(jī)的電樞電流特性是研究電機(jī)的重要指標(biāo)，尤其是在不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)電樞電流是衡量發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)之一[14]。由于電機(jī)三相電流成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此A相電流可以代表電樞電流。圖8給出了兩種電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的A相電流有效值。

由圖8可以得出以下結(jié)論：

(a) 在1 000～4 000 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，電流增大速度比較快，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)增加；

(b) 在4 000～8 000 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，電流增大速度變緩；

(c) 最后在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到8 000 r/min以后，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，A相電流不再增加，趨于穩(wěn)定；

(d) 新型爪極電機(jī)比傳統(tǒng)爪極電機(jī)有著更大的A相電流，新型爪極電機(jī)A相最大時(shí)電流為115.65 A，傳統(tǒng)爪極電機(jī)A相電流為103.69 A。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下A相電流有效值

由圖4和圖7可知，爪極電機(jī)存在磁飽和現(xiàn)象，通入1～10 A勵(lì)磁電流，電機(jī)A相電流有效值變化的趨勢(shì)如圖9所示。

圖9 通入1～10 A勵(lì)磁電流時(shí)A相電流變化

由圖9可以得出以下結(jié)論：

(a) 傳統(tǒng)爪極電機(jī)和新型爪極電機(jī)A相電流都會(huì)隨著勵(lì)磁電流的增大而增大，但在低勵(lì)磁電流情況下增大趨勢(shì)較為明顯；在高勵(lì)磁電流時(shí)，增大趨勢(shì)減小。同時(shí)在低勵(lì)磁電流時(shí)，新型爪極電機(jī)由于永磁體阻礙電勵(lì)磁磁路，因此增大速度沒(méi)有傳統(tǒng)爪極電機(jī)大，但電流值要比傳統(tǒng)爪極電機(jī)大；

(b) 新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)由于存在永磁體，在勵(lì)磁電流為零時(shí)，仍能產(chǎn)生36.09 A的相電流，可以實(shí)現(xiàn)自勵(lì)；

(c) 新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)在低勵(lì)磁電流時(shí)，電機(jī)的A相電流受電勵(lì)磁磁場(chǎng)和永磁體磁場(chǎng)共同作用影響，在達(dá)到磁飽和后，電機(jī)的A相電流主要受電勵(lì)磁磁場(chǎng)影響。

3.3 反電流下新型爪極電機(jī)仿真研究

相比于傳統(tǒng)永磁勵(lì)磁爪極電機(jī)，新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)可以通過(guò)改變電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)弱磁控制。當(dāng)新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)通入相反電流時(shí)，電勵(lì)磁磁場(chǎng)和永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)方向相反，會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生影響。圖10為新型爪極電機(jī)通-10 A～0的勵(lì)磁電流時(shí)電機(jī)A相電流變化圖。

圖10 勵(lì)磁電流0～-10 A時(shí)電機(jī)A相電流變化圖

由圖10可以得出：爪極電機(jī)在通入-10 A～0勵(lì)磁電流時(shí)，A相電流先減小后增大；在通入-3 A勵(lì)磁電流時(shí)，爪極電機(jī)的電勵(lì)磁磁場(chǎng)和永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)相互抵消，A相電流為0。

4 永磁體厚度對(duì)A相電流的影響

新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)存在勵(lì)磁磁環(huán)，勵(lì)磁形成的主要磁力線要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子軛部形成回路，這一部分為爪極電機(jī)的主磁通部分，而新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)在轉(zhuǎn)子軛部增加永磁體，永磁體的磁通特性要小于電機(jī)轉(zhuǎn)子材料的磁通特性[15]，因此由電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)受到永磁體的影響。參考電機(jī)整體的磁場(chǎng)與磁場(chǎng)回路特性，永磁體厚度的選擇顯得尤為重要，選取氣隙的1～9倍(0.4～3.6 mm)和5～20倍(2 ～10 mm)，兩種不同范圍厚度的永磁體進(jìn)行對(duì)比分析，其A相電流變化如圖11和圖12所示。

圖11 永磁體厚度0.4～3.6 mm對(duì)A相電流的影響

圖12 永磁體厚度2～10 mm對(duì)A相電流的影響

由圖11和圖12可以得出以下結(jié)論：

(a) 低勵(lì)磁電流情況下，隨著勵(lì)磁電流的增大，A相電流也相應(yīng)增大，但勵(lì)磁電流對(duì)A相電流的增幅作用在永磁體厚度較小時(shí)更為明顯，隨著永磁體厚度增加，作用效果越?。?/p>

(b) 當(dāng)勵(lì)磁電流過(guò)大時(shí)，永磁體厚度對(duì)于A相電流的影響減小直至無(wú)影響；

(c) 永磁體厚度較大情況下，隨著厚度增大，A相電流隨之增加，但是增幅效果逐漸減小,勵(lì)磁電流對(duì)A相電流的影響效果逐漸減?。?/p>

(d) 永磁體厚度較小時(shí)，A相電流先增大后減小再增大，勵(lì)磁電流對(duì)A相電流的影響效果逐漸減小，在永磁體厚度為氣隙的5倍時(shí)，A相電流達(dá)到最大。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁特點(diǎn)，研究了一種新型混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)，介紹了新型爪極發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和電磁原理，并運(yùn)用三維有限元軟件對(duì)新型爪極電機(jī)進(jìn)行了建模分析。通過(guò)建模分析可以得出以下結(jié)論：

1) 新型爪極電機(jī)所增加的永磁體磁路可以和傳統(tǒng)的電勵(lì)磁磁路形成疊加作用，從而實(shí)現(xiàn)混合勵(lì)磁作用；

2) 新型爪極電機(jī)在額定狀態(tài)下有著比較好的性能，其中相電流達(dá)到99.57 A，轉(zhuǎn)矩達(dá)到11.13 N·m。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較??；

3) 新型混合勵(lì)磁爪極可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小和方向?qū)崿F(xiàn)弱磁控制，當(dāng)永磁體厚度為2 mm，通入-3 A勵(lì)磁電流時(shí)可實(shí)現(xiàn)相電流為0；

4) 永磁體厚度對(duì)電機(jī)的主要磁場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，未達(dá)到磁飽和情況下，永磁體厚度較小時(shí)，電機(jī)磁場(chǎng)主要由電勵(lì)磁磁場(chǎng)決定，隨著厚度增加，電機(jī)磁場(chǎng)主要由電勵(lì)磁磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)決定，當(dāng)厚度增大到一定程度，電機(jī)磁場(chǎng)主要由永磁磁場(chǎng)決定。