張學(xué)義,杜欽君,馬世倫,徐進(jìn)彬,耿慧慧

(1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院,淄博 255049； 2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,淄博 255049)

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汽車混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的開發(fā)*

張學(xué)義1,杜欽君2,馬世倫1,徐進(jìn)彬1,耿慧慧1

(1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院,淄博 255049； 2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,淄博 255049)

汽車用混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)既具有永磁發(fā)電機(jī)損耗小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，又具有電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)良好的電磁調(diào)節(jié)特性，在汽車電源系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。本文中設(shè)計(jì)出雙徑向永磁與凸極電磁形成并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)的組合式轉(zhuǎn)子，以及氣隙磁場(chǎng)中的高次諧波含量低、定子鐵芯渦流損耗少的分?jǐn)?shù)槽繞組定子。利用磁場(chǎng)有限元分析軟件對(duì)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行了建模和仿真，結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)通入凸極轉(zhuǎn)子電勵(lì)磁繞組電流的大小和方向、進(jìn)而調(diào)節(jié)氣隙中磁場(chǎng)密度，混合勵(lì)磁發(fā)電裝置可在寬轉(zhuǎn)速、寬負(fù)載范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的電壓。

汽車；混合勵(lì)磁發(fā)電裝置；永磁；電磁；并聯(lián)磁路

前言

發(fā)電機(jī)是汽車電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，隨著汽車電氣設(shè)備日臻完善，用電量不斷增大，原有的硅整流發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代汽車電氣設(shè)備對(duì)用電量的要求。硅整流發(fā)電機(jī)由電勵(lì)磁繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過電勵(lì)磁繞組的電能大部分由于勵(lì)磁線圈發(fā)熱而消耗掉，勵(lì)磁線圈中只有部分電能轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電的磁能，電能消耗大[1]。永磁發(fā)電機(jī)由永磁鋼產(chǎn)生磁場(chǎng)，無電勵(lì)磁繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，但鑒于國(guó)內(nèi)永磁發(fā)電機(jī)的研制水平有限，存在電機(jī)磁特性難以調(diào)節(jié)、輸出電壓難以穩(wěn)定等問題，主要應(yīng)用于需求發(fā)電機(jī)功率比較小的車輛上[2]。永磁與電磁混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)既具有永磁發(fā)電機(jī)高功率密度、高效率、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，又具有電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)良好的調(diào)整特性[3-4]，非常適應(yīng)于現(xiàn)代汽車電源系統(tǒng)中的發(fā)電裝置。

混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)主要分為串聯(lián)磁路式、并聯(lián)磁路式和混聯(lián)磁路式3種結(jié)構(gòu)形式，其中串聯(lián)磁路式永磁磁路與電勵(lì)磁磁路串聯(lián)，電勵(lì)磁磁場(chǎng)將直接作用于永磁體，磁阻大，復(fù)雜工況下易引起永磁體的不可逆退磁；混聯(lián)磁路式永磁磁場(chǎng)和電勵(lì)磁磁場(chǎng)既有串聯(lián)部分，又有并聯(lián)部分，只有部分電勵(lì)磁磁場(chǎng)直接通過永磁體，通常不會(huì)產(chǎn)生永磁體永久退磁現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，磁場(chǎng)耦合較多；本文中設(shè)計(jì)的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)永磁磁場(chǎng)與電勵(lì)磁磁場(chǎng)在各自磁路上并聯(lián)，在主氣隙中合成，電勵(lì)磁磁場(chǎng)不直接經(jīng)過永磁體，磁場(chǎng)間耦合小。永磁轉(zhuǎn)子采用雙徑向內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，兩徑向永磁磁場(chǎng)互為補(bǔ)充，磁場(chǎng)分布均勻，氣隙磁通密度高；電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子采用傳統(tǒng)的凸極式結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單、可靠；定子采用分?jǐn)?shù)槽繞組，降低了磁場(chǎng)中高次諧波含量和渦流損耗，提高了發(fā)電效率。本文中設(shè)計(jì)的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)形式先進(jìn)，具有良好的研究?jī)r(jià)值和使用價(jià)值。

1 混合勵(lì)磁發(fā)電裝置主要參數(shù)確定

永磁與電磁混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)主要為汽車用電設(shè)備提供電能，并給蓄電池充電，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.1 雙徑向永磁轉(zhuǎn)子

瓦片形永磁鋼由非導(dǎo)磁螺釘通過極靴固定在轉(zhuǎn)

表1 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

子磁軛上，與嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯矩形槽中的矩形永磁鋼組成雙徑向永磁轉(zhuǎn)子，瓦片形永磁鋼和矩形永磁鋼的截面共同為氣隙提供每極磁通，提高發(fā)電機(jī)的氣隙磁通密度。雙徑向永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 雙徑向永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算永磁鋼體積[5]：

(1)

式中：PNY為混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)中的永磁發(fā)電機(jī)的功率；σ0為漏磁系數(shù)；Kad為將直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算到轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的折算系數(shù)；KF為發(fā)電機(jī)短路時(shí)每對(duì)磁極的永磁鋼磁動(dòng)勢(shì)為直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的倍數(shù)；f為發(fā)電機(jī)頻率；Ku為電壓波形系數(shù)；KB為氣隙磁通的波形系數(shù)；C為最大磁能利用系數(shù)；(BH)max為最大磁能積。

根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的幾何約束條件(見圖3)確定永磁鋼的具體尺寸。

圖3 永磁鋼幾何約束條件

由圖3可知，本設(shè)計(jì)中發(fā)電機(jī)定子鐵芯半徑Rs0和轉(zhuǎn)子鐵芯半徑Rr0是一定的，永磁鋼厚度受多個(gè)幾何約束的限制：

0

(2)

hm1

(3)

(4)

式中：bm1為瓦片形永磁鋼厚度；bP為極靴厚度；δ為氣隙長(zhǎng)度；θ為隔磁氣隙Ⅱ到軸中心的夾角；hm1為瓦片形永磁鋼寬度的一半；hm2為矩形永磁鋼寬度；Rz為軸半徑；t1為非導(dǎo)磁襯套厚度；t2為非導(dǎo)磁襯套凸起長(zhǎng)度；t3為矩形永磁鋼到轉(zhuǎn)子鐵芯邊緣的距離。

計(jì)算得永磁鋼的尺寸如表2所示。

表2 永磁鋼主要尺寸

1.2 凸極電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子

對(duì)電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的要求是根據(jù)負(fù)載電流的變化產(chǎn)生附加的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以補(bǔ)償永磁發(fā)電機(jī)因負(fù)載電流變化而引起的電壓變化，使混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)輸出電壓保持穩(wěn)定。凸極電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 凸極電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 確定磁極形狀

在凸極式發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中，對(duì)氣隙磁密波形有明確要求，希望盡可能為正弦分布，才能使發(fā)電機(jī)輸出電壓為正弦波，但由于凸極發(fā)電機(jī)為集中勵(lì)磁繞組，其磁勢(shì)分布為矩形波，所以凸極發(fā)電機(jī)一般不做成均勻氣隙[6]。設(shè)計(jì)時(shí)將磁極中心線處氣隙做成最小值為δmin，對(duì)應(yīng)磁極極尖處為氣隙最大值δmax，凸極發(fā)電機(jī)磁極形狀圖如圖5所示。

圖5 凸極發(fā)電機(jī)磁極形狀

當(dāng)δmax∶δmin=1.5∶1時(shí)，氣隙磁密波形非常接近正弦波。若δmax∶δmin的比值偏小，氣隙磁密波形呈脈沖形，比值過大則相鄰極靴間轉(zhuǎn)子漏磁通增加，引起轉(zhuǎn)子磁路飽和。而極身寬度bm太小，極身磁密易飽和，若bm太大放置電勵(lì)磁繞組的空間過于狹小，bm由下式確定：

(5)

式中：Bg為氣隙磁通密度正弦波的峰值；τ為轉(zhuǎn)子極距；l為凸極轉(zhuǎn)子鐵芯長(zhǎng)度；σm為磁極漏磁系數(shù)；Km為轉(zhuǎn)子沖片疊壓系數(shù)；lm為轉(zhuǎn)子極身軸向長(zhǎng)度；Bm為轉(zhuǎn)子極身磁密控制使用值。

式(5)中的分子為轉(zhuǎn)子每極磁通量，分母為單位極身寬度對(duì)應(yīng)極身面積允許通過的磁通量。計(jì)算得極身寬度bm=11mm。

轉(zhuǎn)子極身高度hm應(yīng)滿足電勵(lì)磁繞組總截面積的設(shè)計(jì)要求，hm太小勵(lì)磁繞組放置空間過于緊張。本文中取轉(zhuǎn)子極身高度hm=22mm。

1.2.2 電勵(lì)磁繞組匝數(shù)計(jì)算

電勵(lì)磁繞組纏繞在轉(zhuǎn)子鐵芯的凸極上，相鄰兩個(gè)繞組的纏繞方向相反，匝數(shù)相同，在相鄰的兩個(gè)凸極表面形成N極、S極間隔排列的電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子。

由克希荷夫第二定律∑HL=∑NI得

(6)

式中：B0，B1和B2分別為氣隙、硅鋼片和轉(zhuǎn)子鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l0，l1和l2分別為氣隙、硅鋼片和轉(zhuǎn)子鐵芯的磁路長(zhǎng)度；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m；μr1和μr2分別為硅鋼片和轉(zhuǎn)子鐵芯的相對(duì)磁導(dǎo)率；Nl為電勵(lì)磁繞組匝數(shù)；Il為電勵(lì)磁繞組電流。

計(jì)算得Nl=1014.5，即每極匝數(shù)為126.8匝，本文中取電勵(lì)磁繞組每極匝數(shù)Nl=130匝。

按式(7)計(jì)算電勵(lì)磁繞組導(dǎo)線直徑dl：

(7)

式中J為電勵(lì)磁繞組導(dǎo)線電流密度。

計(jì)算得dl=0.48mm，本文中取dl=0.51mm。

1.3 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子設(shè)計(jì)為3相8極36槽，每個(gè)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)應(yīng)4.5個(gè)定子齒的分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，這樣不僅降低了發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)中的高次諧波含量，減少定子鐵芯渦流損耗，而且使整個(gè)轉(zhuǎn)子的靜磁力達(dá)到最小，發(fā)電機(jī)的起動(dòng)阻力矩降低，本文中定子槽型選為梨形槽，如圖6所示，分?jǐn)?shù)槽繞組原理圖如圖7所示。

圖6 定子槽型圖

圖7 分?jǐn)?shù)槽繞組原理圖

1.3.1 電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)Ns

Ns=E0/(4.44fKwΦδ0)

(8)

式中：E0為空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Kw為電樞繞組系數(shù)；Φδ0為空載時(shí)通過電樞繞組的有效磁通量。

計(jì)算得Ns=48。

1.3.2 電樞繞組導(dǎo)線直徑ds

電樞繞組導(dǎo)線直徑ds按式(9)算得的導(dǎo)線截面積計(jì)算：

(9)

式中：ACu為導(dǎo)線截面積；IN為額定相電流；a為并聯(lián)支路數(shù)，a=1。

本文中取導(dǎo)線直徑為ds=1.75mm。

2 混合勵(lì)磁發(fā)電裝置磁場(chǎng)仿真分析

根據(jù)麥克斯韋方程組建立磁場(chǎng)分析數(shù)學(xué)模型[7]：

(10)

上述方程組中，場(chǎng)量之間的關(guān)系為：D=εE，B=μH，J=σE。

由以矢量磁位A為場(chǎng)變量函數(shù)的波動(dòng)方程和以標(biāo)量位函數(shù)φ為場(chǎng)變量函數(shù)的波動(dòng)方程得到電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程為

(11)

接著構(gòu)建幾何模型，定義并分配材料屬性，加載激勵(lì)源與邊界條件，最后求解選項(xiàng)參數(shù)并進(jìn)行后處理。

當(dāng)凸極電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子不通電流、通正向電流和通反向電流時(shí)，獲得混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通密度模值圖和磁通密度矢量圖如圖8所示。

圖8 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜態(tài)場(chǎng)圖

從圖8(a)中可以看出，當(dāng)凸極電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子不通電流時(shí)，永磁與電磁混合勵(lì)磁發(fā)電裝置氣隙中的磁通僅由雙徑向永磁磁場(chǎng)提供，氣隙磁通密度較小。從圖8(b)中可以看出，當(dāng)凸極電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子通正向電流時(shí)，混合勵(lì)磁發(fā)電裝置氣隙中的磁通由雙徑向永磁磁場(chǎng)和凸極電磁磁場(chǎng)共同提供，凸極電磁磁場(chǎng)起到增磁的作用，氣隙磁通密度增大。從圖8(c)中可以看出，當(dāng)凸極電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子通反向電流時(shí)，混合勵(lì)磁發(fā)電裝置氣隙中的磁通由雙徑向永磁磁場(chǎng)和凸極電磁磁場(chǎng)共同提供，只是此時(shí)的凸極電磁磁場(chǎng)起到削弱永磁磁場(chǎng)的作用，氣隙磁通密度減小。

由三維模型的仿真結(jié)果可知，通過調(diào)節(jié)凸極電勵(lì)磁繞組通電電流的大小和方向，可調(diào)節(jié)混合勵(lì)磁發(fā)電裝置氣隙磁通密度大小，從而達(dá)到穩(wěn)定混合勵(lì)磁發(fā)電裝置輸出電壓的目的。

3 性能試驗(yàn)

本文中設(shè)計(jì)的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)額定電壓14V，額定功率1 000W，額定轉(zhuǎn)速4 000r/min。永磁材料選用釹鐵硼NTP30H[8-9]，其剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br=1.12T，磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc=790kA/m，最大磁能積(BH)max=224～256kJ/m3。在負(fù)載功率分別為950，1 000和1 050W的條件下，對(duì)新研制的汽車用永磁與電磁混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)從低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 發(fā)電機(jī)輸出電壓試驗(yàn)結(jié)果

從表3可見，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由2 000變化到4 800r/min、負(fù)載功率由950變化到1 050W時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在13.6～14.3V之間，該性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

研制的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)采用雙徑向永磁與凸極電磁并聯(lián)同軸、產(chǎn)生的磁場(chǎng)在氣隙中合成的組合式轉(zhuǎn)子，和轉(zhuǎn)子上的一個(gè)磁極對(duì)應(yīng)定子鐵芯上4.5個(gè)齒的分?jǐn)?shù)槽繞組定子組成。利用有限元分析軟件對(duì)混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行了建模與仿真，結(jié)果表明，凸極轉(zhuǎn)子電勵(lì)磁繞組通入大小和方向不同的電流，可改變氣隙中磁通密度的大小，使發(fā)電機(jī)輸出電壓保持穩(wěn)定。試制樣機(jī)并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)可得，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由2 000變化到4 800r/min、負(fù)載功率由950變化到1 050W時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在13.6～14.3V之間，發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓性能良好。然而穩(wěn)壓控制器是發(fā)電裝置中不可缺少的重要部件，不同的發(fā)電機(jī)應(yīng)配備專門的穩(wěn)壓控制器，因此未來還需對(duì)其進(jìn)行深入的研究，研制出適合該混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的專門的穩(wěn)壓控制器，以保障發(fā)電機(jī)輸出性能的穩(wěn)定。

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Development of Hybrid Excitation Generator for Vehicles

Zhang Xueyi1, Du Qinjun2, Ma Shilun1, Xu Jinbin1& Geng Huihui1

1.SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049;2.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049

Hybrid excitation generator for vehicles has the advantages of both the small loss and high efficiency of permanent-magnet generators and the good magnetic regulation characteristic of electromagnetic generators， so has important application value in vehicle power system. In this paper, the compound rotor with parallel magnetic structure formed by double-radial permanent magnet and salient-pole electromagnet and the fractional slot winding stator with low high-order harmonic content and less eddy-current loss in gap magnetic field are designed. A model for hybrid excitation generator is established with simulation conducted using magnetic field FEA software. The results show that the generator can output stable voltage in wide ranges of speed and load by adjusting the magnitude and direction of excitation current in the electromagnetic winding of salient-pole rotor, and hence changing the magnetic field density in air gap.

vehicle; hybrid excitation generator; permanent magnet; electromagnet; parallel magnetic circuit

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.015

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51507096)資助。

張學(xué)義，教授，E-mail:zhangxuyi@sdut.edu.cn。

原稿收到日期為2016年7月25日，修改稿收到日期為2016年9月25日。