大电流混合励磁爪极发电机的设计与仿真

引言

爪极发电机由于制造简单、成本低被广泛应用于汽车、航空等领域。传统的电励磁爪极发电机效率低,体积大。混合励磁是在原有电机的基础上稍作改动,加上永磁体励磁,可以提高电机效率,同时保持原有电机控制系统不变。通过分析电励磁爪极电机可知,电机爪之间没有任何物体,容易出现极间漏磁,因此可以在爪极之间放置一个永磁体以减少极间漏磁,同时还可以增加主磁通。爪极间的永磁体充磁方向与两个爪的极性相反,可以引导转子磁通尽可能通过定子形成回路,减少漏磁的同时提高电机效率。通过极间放置永磁体,电机效率可以提升20%,相同的驱动转矩可以发出更多的电能。采用混合励磁不仅提高了电机效率,在一定程度上降低了损耗,还可以解决电机发热问题。

本文通过分析不同结构的混合励磁爪极发电机,结合电机的输出指标要求,设计了一台12极36槽的混合励磁爪极发电机。

1混合励磁爪极发电机设计

1.1混合励磁方式的选择

爪极发电极的混合励磁分为串联和并联两种不同的励磁方式。

并励式混合励磁将永磁体置于爪极之间,电励磁磁路与永磁体磁路是并联关系,电机在不增大励磁电流的情况下增大了气隙磁密,提高了电机的效率:同时通过调节励磁电流可调节气隙磁场,故该混合励磁方式的发电机同时具有永磁发电机的高效率和电励磁发电机电压可调节的特点。

串联式混合励磁在转子辄部添加一块永磁体,电励磁磁路与永磁体磁路是串联关系。由于永磁体励磁与电励磁是串联关系,当发电机转速过高时,需要很大的反向电励磁电流才能使电机的输出电压保持在调节范围内,同时过大的励磁电流会导致永磁体的不可逆失磁。

综上,本爪极发电机选用并励式混合励磁方式。

1.2电枢绕组端部连接方式的选择

电枢绕组端部连接分为星接和角接两种方式。星形接法是将各相绕组的一端接在一点,另一端作引出线,分别作为三个相线,其线电压大约是相电压的1.732倍,线电流等于相电流:角形接法是将各绕组首尾依次相连,将每个连接点引出线作为三个相线,其线电压等于相电压,线电流大约是相电流的1.732倍。

由电机学原理可知,三相交流发电机的星接与角接各有优势。星接绕组优势是当三相绕组没有对称时(实际生产绕组不可能绝对对称),不会在绕组内形成环流,可减少发热,提升效率:角接绕组优势是电枢绕组的相电流会减小,当电机额定电流大时可采用角接方式。

综上,根据爪极发电机额定电流大的特点,电枢绕组选用角接方式。

2仿真分析

混合励磁爪极电机转子的特殊结构使其磁场分布较复杂,有明显的三维特性。采用传统的等效磁路方法很难完全反映电机实际运行情况。而三维有限元方法的计算准确度比较高,适用于三维磁场。本文所设计的混合励磁爪极发电机的基本参数如表1所示,使用UG建立电机的三维模型,如图1所示。

对转速为3500r/min时的电机负载特性进行仿真,在额定直流侧电阻负载情况下直流电压为28.8V,直流电流为296.8A,满足设计要求。转子和定子的负载磁密除爪部和齿部局部磁密饱和外,其余部分磁密均处于材料磁化曲线的线性区,没有出现磁路饱和现象。

3实验验证

为了验证混合励磁爪极发电机设计和三维仿真的准确性,制造了两台样机。表2为两台混合励磁爪极发电机样机的负载实测与仿真数据,负载转速与仿真条件一致,通过调节励磁电流使电机输出额定功率。可以看出,两台样机负载性能的测试值与仿真值误差较小,实际测量的负载输出功率比仿真值略小,主要是由工艺、材料特性和测量环境等因素造成。

4结论

本文通过分析不同爪极发电机不同的混合励磁方式和电枢绕组的连接方式,设计了一台l2极36槽的并励式混合励磁爪极发电机。通过分析混合励磁爪极发电机的工作特性,得出了爪极电机的三维电磁场有限元计算原理,并对所设计的发电机进行有限元三维模型仿真。为了验证混合励磁爪极发电机设计和三维仿真的准确性,制造了两台电机样机,实测数据表明,在额定最低转速,励磁电流低于5A时,电机能输出额定28V的电压、8kw的功率,实测值与仿真结果基本一致,表明该仿真分析对混合励磁爪极发电机的设计具有指导作用。