測量爪極發(fā)電機轉矩的試驗系統(tǒng)設計

吳賽飚,施小豹

(安徽皖南電機股份有限公司，安徽 涇縣242500)

摘要：設計了一種測量爪極發(fā)電機轉矩的試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)能很好地模擬電機的工作環(huán)境。受傳感器采樣頻率的限制，測試的電機工作在低速狀態(tài)。通過分別對爪極結構上開槽、切邊處理后電機轉矩測量數(shù)據(jù)的分析，其激振力波、轉矩脈動明顯減小，從而在理論上得到很好的驗證。

關鍵詞：爪極發(fā)電機； 轉矩； 試驗系統(tǒng)

通訊作者：施小豹

中圖分類號：TM 306文獻標志碼： A

收稿日期:2015-04-22

Experimental Test System Design of Measuring

Claw-pole Generator Torque

WUSaibiao，SHIXiaobao

(Anhui Wannan Electric Machine Co.,Ltd., Jingxian 242500, China)

Abstract：The methods that slotting and side shearing on the claw pole structure, respectively, according to the theoretical analysis were proposed. For verifying the effectiveness of the methods, an experimental test system of measuring claw-pole generator torque was presented, and the test system was a good simulation of the generator working environment. Since the limitation of sampling frequency of the sensor, the test motor operated at low-speed state. Finally, the torque measurement data were analyzed aimed at the claw-pole generator with slotting and side shearing claw pole structures. It showed that the exciting force wave, torque ripple was significantly reduced, respectively. The theory had been well verified.

Key words： claw-pole generator; torque; test system

0引言

爪極發(fā)電機制造簡單、成本低，廣泛應用于汽車供電。隨著現(xiàn)代汽車中電力負載的日益增長，對汽車電氣系統(tǒng)的需求也相應增加。當汽車蓄電池電量不足或者開起汽車空調等大功率電器時，爪極發(fā)電機開始發(fā)電運行。作為一種機電設備，它也是汽車的一個主要振動、噪聲源，特別是低速、怠速狀態(tài)。近年來隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，導航、音響等電器系統(tǒng)逐漸成為汽車標準配置，要求降低汽車振動、噪聲值，提高駕駛內倉舒適度。研究爪極發(fā)電機振動、噪聲，對促進汽車工業(yè)的發(fā)展有著重要價值和戰(zhàn)略意義。

爪極發(fā)電機的一個共同缺點是由磁鋼與爪極之間的吸引力引起的脈動轉矩。它可定義為轉子轉動時，氣隙幾何形狀與尺寸或電機主磁路磁導的改變而引起的隨轉子角呈周期性變化的無效轉矩。脈動轉矩對電機性能產(chǎn)生有害的影響,例如引起轉速振蕩、轉子定位誤差、振動和噪聲等。因此，脈動轉矩的準確計算是電機優(yōu)化設計的很關鍵的內容之一。許多學者已在普通永磁電機脈動轉矩的計算與抑制方面做了大量的工作[3-7]。王秀和及其團隊對永磁電機的齒槽轉矩也進行了詳盡的描述[8-10]，而齒槽轉矩在永磁電機中是脈動轉矩的最主要成分。目前國內外各大科研機構在電機脈動轉矩方面有很多研究成果。相關研究表明，在理想運行條件下，不考慮電樞反應與磁滯飽和，爪極電機定子電流變化與齒槽轉矩變化相互獨立，爪極發(fā)電機的脈動轉矩近似等于其空載狀態(tài)下的齒槽轉矩[11]，故可以通過類比永磁電機的齒槽轉矩研究其脈動轉矩。

爪極電機內部結構如圖1所示。爪極電機的結構和運行工況與普通同步發(fā)電機不同。由于其工作環(huán)境不同，振動、噪聲的產(chǎn)生機理也有特殊性。通常情況下，爪極發(fā)電機通過浮動支架安裝于汽車主梁上，在汽車發(fā)動機拖動下變速運行。當爪極發(fā)電機轉矩脈動頻率與定子及支架固有頻率接近時產(chǎn)生共振，其振動、噪聲就會被放大，影響汽車的舒適性。由于工況特殊，普通電機試驗設備無法檢查出爪極發(fā)電機的轉矩脈動數(shù)據(jù)，所以設計一套合理的試驗系統(tǒng)就成為研究爪極電機振動、噪聲的關鍵。

圖1　爪極電機內部結構

由于運行工況特殊，爪極發(fā)電機振動、噪聲涉及的因素很多，單從產(chǎn)生的機理來看，主要是電機轉矩脈動與定子的動態(tài)響應造成的。爪極發(fā)電機一般安裝于汽車發(fā)動機倉內，其表面輻射的噪音量很小，振動與噪聲主要通過浮動安裝支架傳導。所以在研究過程中需要模擬爪極電機實際的安裝條件，檢測出爪極發(fā)電機的轉矩脈動曲線。

1理論分析

汽車爪極發(fā)電機的轉子通常為梯形爪極。為簡化計算，理論分析時通常將梯形爪極等效為等寬爪極，如圖2所示。

圖3　爪極與定子齒的相對位置

此時空載狀態(tài)下的爪極發(fā)電機齒槽轉矩類似于表面式永磁電機，如圖3所示，規(guī)定α為某一指定齒的中心線與某一指定的爪極中心線之間的夾角，也就是定轉子之間的相對位置角，θ=0位置設定在該磁極的中心線上。

電機內存儲的磁場能量近似為電機氣隙中存儲的磁場能量，即

(1)

磁場能量W取決于電機的結構尺寸、轉子線圈電流及定轉子之間的相對位置。氣隙磁密沿電樞表面的分布可近似表示為

(2)

式中：Br(θ)——爪極磁密；

δ(θ,α)——有效氣隙長度；

hm(θ)——爪極徑向長度沿圓周方向的分布。

由式(1)、式(2)可得

(3)

式中：p——極對數(shù)；

αp——爪極電機的極弧系數(shù)；

z——定子槽數(shù)。

基于上述，爪極電機齒槽轉矩為

(4)

由式(4)可知，電機的極弧系數(shù)影響著齒槽轉矩。已知電機爪極上切邊、開槽均改變了電機的極弧系數(shù)，所以其齒槽轉矩發(fā)生變化，相應的脈動轉矩也發(fā)生了改變。本文針對這兩種狀況，設計了測量脈動轉矩的試驗設備。這對于驗證理論分析具有重要意義。

2試驗平臺搭建

試驗平臺設計方案如圖4所示。爪極電機在原動機的拖動下低速空載運行并保持運行狀態(tài)穩(wěn)定勻速。通過轉矩傳感器測試出爪極發(fā)電機的時間-轉矩曲線，然后對各條曲線進行分析研究，最終得出爪極發(fā)電機轉矩脈動的特性。同時采用噪聲、振動傳感器測試運行過程中的噪聲、振動頻譜，將其結果與轉矩脈動曲線進行對比分析。

圖4　試驗平臺方案簡圖

2.1驅動部分設計

試驗平臺驅動部分設計主要考慮驅動電機的速度控制。以定子36槽、轉子6對極爪極發(fā)電機為例，其脈動角度為30°，則旋轉一周脈動12次。高精度的傳感器響應時間可達0.5ms，即每秒采集數(shù)據(jù)500次。假設爪極發(fā)電機轉速為5r/min，則每一脈動周期采集數(shù)據(jù)次數(shù)500/(12×5)=8.3。

為了得到清晰的轉矩脈動曲線，試驗要求每一脈動周期采集數(shù)據(jù)≥5個點。因此選用了調速性能優(yōu)越的直流電機作為驅動源，同時設計了降速比為4∶1的皮帶輪進行傳動。當直流電機在低速段12～24r/min時，發(fā)電機端的轉速則穩(wěn)定在3～6r/min。通過理論分析計算可以得出，爪極發(fā)電機轉矩脈動幅值小、頻率高。為了減少原動機振動噪聲對試驗結果的影響，系統(tǒng)設計時采用三角帶傳動。這也很好地模擬了爪極發(fā)電機在發(fā)動機機艙內實際工作環(huán)境。試驗平臺的底板上設計了調整塊，可以方便地調整三角帶預緊力。

試驗系統(tǒng)設計過程中需要充分考慮原動機轉矩脈動對測量結果的影響。理論基礎: 原動機的存儲動能=各個傳動機構和工作機構的存儲動能之和，忽略聯(lián)接軸的影響，得到如下關系:

(5)

其中，8為直流電動機，5為飛輪，2為汽車發(fā)電機。

由于：

GD2=4gJ

(6)

Ω=2πn/60

(7)

可得

(8)

其中：

n5=n2=n

(9)

直流電動機的轉動慣量為

G8D82=0.294N·m2

則飛輪慣量為

(10)

汽車發(fā)電機的轉動慣量按測量計算值為準?？紤]到飛輪體積結構、發(fā)電機轉軸可承受的徑向力，將飛輪放在高速端。計算中忽略了聯(lián)軸器及傳感器的慣量，所以將飛輪設計為可調慣量的結構，以便試驗過程中不斷調整來達到系統(tǒng)穩(wěn)定的效果。

2.2結構設計與儀表選取

試驗臺設計時充分考慮了后續(xù)試驗的需求，整體系統(tǒng)按照模塊化設計理念，設計為動力部分、傳動部分、傳感器部分、被試機部分。各個部分都在試驗平臺上留出了安全區(qū)域。各個部分采用壓板固定并設計了軸向調節(jié)軌道以適應各個模塊的調換，徑向采用頂絲調節(jié)固定。

試驗平臺實物如圖5所示，被試電機采用支架安裝，支架可以在平臺上任意調整位置。安裝支架設計為多種形式，以此來模擬爪極電機在發(fā)動機機艙中的安裝工況。

圖5　試驗平臺實物

相關儀器的選配型號如下。

(1) 爪極發(fā)電機: 型號為1.1kW，14V，80A,6000r/min；額定轉矩為1.75N·m；空載轉矩約0.26N·m；脈動峰值估算為1.5N·m；配14V直流勵磁電源、聯(lián)軸器、皮帶輪。

(2) 示波器: 恒河DL850多功能示波器。

(3) 原動機: 型號為Z4-112/2-1，2.2kW，440V，965r/min；配直流調速控制柜、皮帶輪。

(4) 轉速儀: 紅外線手持式轉速儀。

(5) 測振儀: 手持式振動頻率測振儀。

(6) 噪聲儀: 手持式測噪聲儀。

3試驗項目與試驗效果

3.1基于輔助槽的汽車爪極發(fā)電機電磁振動削弱方法研究

由于汽車爪極發(fā)電機定子沖片外徑小，定子齒槽很難進行加工處理，所以本次試驗通過改變爪極發(fā)電機的磁極參數(shù)來削弱轉矩脈動，從而削弱其電磁振動。即通過在汽車發(fā)電機爪極表面開輔助槽的辦法來削弱電機電磁振動。如圖6所示，槽長度l0與爪極上表面長度相等，槽寬b0為爪極極尖寬度b的1/5，槽深度h0為槽寬度的1/2。

在分析汽車發(fā)電機電磁振動中，低階激振力波對電機的電磁振動影響尤為重要。圖7為爪極電機開槽與不開槽時二階激振力波試驗數(shù)據(jù)的對比，其中f為基波頻率。

圖6　在爪極結構上開槽的尺寸圖

圖7　二階激振力波試驗數(shù)據(jù)對比

3.2轉子爪極切邊削弱汽車爪極發(fā)電機轉矩脈動的試驗研究

此次試驗還設置了爪極切邊對電磁振動影響的對比試驗。在切邊處理中，通過確定切邊寬度和角度來確定切邊尺寸。如圖8、圖9所示，對每個爪極結構進行切邊處理。

圖8　爪極切邊示意圖

圖9　爪極切邊實物圖

根據(jù)仿真分析切邊處理的數(shù)據(jù)，對爪極發(fā)電機實物轉子進行切邊處理，然后在所設計的試驗平臺上進行試驗。通過調速使發(fā)電機低速空載運行，并保持穩(wěn)定勻速狀態(tài)。在同轉速且勵磁電流相同的情況下對切邊處理與未切邊處理的爪極發(fā)電機分別進行試驗，檢測出時間-轉矩曲線如圖10所示，通過對比曲線來分析驗證磁極參數(shù)優(yōu)化對爪極電機電磁振動的影響。可以看出，相對于一般爪極電機，爪極切邊后其脈動轉矩明顯減小，與理論分析結果一致。

圖10　轉矩脈動波形對比圖

4結語

根據(jù)汽車爪極發(fā)電機機艙工作環(huán)境，本文設計了測量爪極發(fā)電機空載狀態(tài)下的轉矩試驗系統(tǒng)。由于傳感器采樣頻率的限制，為了獲得較好的試驗數(shù)據(jù)，將電機工作設置在低速運行狀態(tài)。通過該試驗系統(tǒng)，分別獲得爪極結構開槽、切邊處理后時間-轉矩曲線?；谠囼灁?shù)據(jù)分析，可知開槽后的爪極電機2階激振力明顯減小，切邊后的爪極電機轉矩脈動明顯減小，很好地驗證了理論分析結果，也很好地顯示出該試驗系統(tǒng)的工程價值。

【參 考 文 獻】

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