崔天翔，莊圣賢，周 娟，李小龍

(1.西南交通大學,成都 610031;2.華川電裝有限責任公司,成都 610106)

0 引 言

磁電機作為摩托車的點火系統(tǒng)，與發(fā)動機的曲軸直接相連，隨曲軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，并經(jīng)過整流橋及調(diào)壓電路調(diào)節(jié)輸出電壓，用于車上照明、蓄電池充電或者其它負載。

在已有的文獻中對磁電機設計的介紹主要是從路算法入手[1]，一些參數(shù)的取舍主要依賴于設計者的經(jīng)驗和磁路的等效；而對設計方案中各組不確定的電磁參數(shù)，也都是采用傳統(tǒng)的方法，通過大量的實驗驗證設計方案的正確性和有效性。在實際操作中，每一種方案就對應著一款實際的電機，不僅開發(fā)成本高，而且設計周期長，同時由于參數(shù)的不確定性，在反復修改參數(shù)驗證輸出性能時，會給資源造成嚴重的浪費。

針對這種情況，本文應用電磁場有限元分析技術(shù)，利用專業(yè)電磁場分析軟件Ansoft，仿真分析電機內(nèi)部電磁場分布規(guī)律，以及交流電機輸出特性規(guī)律，不僅提高設計效率和可靠性，更能降低成本，大大縮短新型電機的開發(fā)周期。其具體方案：(1)針對某一型號電機查找資料，完成方案論證；(2)選用電磁場仿真軟件Ansoft作為分析工具；(3)建立仿真模型，進行仿真分析計算；(4)仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比分析；(5)總結(jié)完善設計資料。

本文主要通過對成都華川電裝有限責任公司生產(chǎn)的一款磁電機進行建模與仿真，如圖1所示，分析其輸出特性，并與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證仿真模型及仿真結(jié)果的正確性和有效性。

(a) 定子

(b) 轉(zhuǎn)子

圖1磁電機實物圖

1 磁電機與磁電機的建模

此型號磁電機是一款6對極18齒的旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機，即每極下平均分有1.5個齒。轉(zhuǎn)子上均勻分布有12片材料為釹鐵硼的磁瓦；定子繞組是△連接，如圖2所示。每條邊上有6個繞組串聯(lián)，其中LA,B,C和RA,B,C分別是A,B,C三相繞組串聯(lián)的等效電感與等效電阻，通過不可控全橋整流電路與外電路相連接，如圖3所示。

圖2定子繞組連接

圖3磁電機通過整流橋與外電路的連接形式

在不裝設定子的情況下，沿轉(zhuǎn)子內(nèi)表面的磁密B應為對稱分布的交變的磁密波形；而在定子存在的情況下，因為每極下的定子齒數(shù)分布的不均勻，導致氣隙磁密會發(fā)生畸變，但是沿氣隙的總的磁通量Φ不會改變。由式(1)可知[2]，在不考慮磁飽和時，Ea的大小只與轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以在不同轉(zhuǎn)速時，產(chǎn)生的感應電動勢Ea大小不一樣，通過調(diào)節(jié)可變電阻R的阻值使外電路兩端的電壓維持在14 V。其他一些調(diào)壓方式在文獻[3-4]中已詳細敘述，在此不再贅述。

Ea=CeΦn

(1)

式中：Ce=pZa/(60a=)是電動勢常數(shù)；Φ表示每極的總磁通量；p為極對數(shù)；Za為電樞繞組的總導體數(shù)；a=是并聯(lián)支路數(shù)。

根據(jù)公司提供的電磁參數(shù)，分別在Ansoft中建立二維電機模型和連接繞組激勵外電路，如圖4所示，通過將外電路加載到仿真模型的繞組激勵上進行暫態(tài)仿真分析。從圖4(a)可以看出，在轉(zhuǎn)子上有12個永磁極緊貼在轉(zhuǎn)子內(nèi)表面，定子有18個齒，短距集中繞組；圖4(b)的連接方式就是圖2和圖3的等效合并，電壓表測得的是外部輸出直流電壓，針對此型號電機直流電壓恒為14 V，電流表顯示流經(jīng)外電路的電流值。

(a) 磁電機二維模型

(b) 外電路連接方式

圖4Ansoft中的電機模型

2 磁電機靜態(tài)磁場仿真結(jié)果與分析

將分析場類型設置為Magnetostatic(穩(wěn)態(tài)磁場)，在無定子和有定子兩種情況下對電機模型進行仿真分析，其氣隙磁密波形和磁鏈分布如圖5所示。

由圖5(a)和圖5(b)可以看出，在不加定子的情況下，氣隙磁密沿永磁極表面分布均勻，而在有定子存在時，氣隙磁密不再沿永磁極表面均勻分布。由圖5(c)和圖5(d)對比可知，在沒有定子時，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部磁導率相同，以致磁通密度沿轉(zhuǎn)子內(nèi)部均勻的分布；而有定子存在時，由于每一個極下的定子齒分布不均勻，假設N極磁鋼的中心軸線正對一個定子齒的中心軸線，而在下一個S極就會出現(xiàn)磁鋼中心軸線正對兩個齒之間的中心軸線，磁通又總是沿著磁導率較高的磁路分布。從圖中可以看出在定子齒上的磁通密度很大，而在氣隙中則相對為0。所以由磁鏈分布可以看出，定子存在時，由于定子齒在每極下分布不均勻而導致氣隙磁密發(fā)生畸變，不再是均勻分布的平頂波形。在設計電機時，如若設置定子齒數(shù)比較多，則在一個磁極下氣隙磁密分布比較均勻，可以減少電機在工作中的振動與噪聲。但是，齒數(shù)過多又會造成機械強度的下降與磁路的飽和，應綜合考慮。

(a) 無定子氣隙磁通密度

(b) 有定子氣隙磁通密度

(c) 無定子氣隙磁鏈分布

(d) 有定子氣隙磁鏈分布

圖5有無定子情況下的靜態(tài)磁場仿真

3 磁電機動態(tài)磁場仿真結(jié)果與分析

將分析場類型設置為Transient(動態(tài)磁場)，轉(zhuǎn)速分別為1000r/min，2000r/min，5000r/min和8000r/min的4種狀態(tài)下，整流橋輸出電壓恒等于14 V，其仿真結(jié)果如圖6和表1所示。

圖64種轉(zhuǎn)速情況下的氣隙磁密波形對比

表14種轉(zhuǎn)速情況下感應電壓及外電路電流

轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)外電路電流i/A感應電壓u/VA相B相C相100040．398821．779423．766419．8318200052．873724．916724．831824．8108500054．876827．984627．996128．3703800053．783531．666331．664031．9075

由圖6分析可知，磁鋼一定，沿氣隙表面的總磁通密度不變，定子存在時氣隙磁密會發(fā)生畸變，但是在不同轉(zhuǎn)速時，氣隙磁通分布波形相差不大，并且與均勻的氣隙磁密相比較，其波形和X軸所包圍的面積，即總的磁通量Φ不變。所以由式(1)可知，感應電動勢Ea的大小只與轉(zhuǎn)速成正比，按照表1繪制出4種狀態(tài)時A相的感應電壓u與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系如圖7中實線所示，可以看作是一條斜率一定的直線，與理論分析相符；外電路電流i隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖7中虛線所示。在低速時輸出電流比較小，在轉(zhuǎn)速增大之后，通過外電路可變電阻的調(diào)節(jié)，電壓恒定，輸出電流也基本不變，其輸出特性曲線如圖8所示。

圖7A相感應電壓及輸出電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖8磁電機的輸出特性曲線

4 實驗與驗證

表2 是對該型號磁電機的現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，與仿真數(shù)據(jù)對比顯示，在各轉(zhuǎn)速下誤差分別為2.54%，5.33%，3.54%，2.25%，其精度滿足≤10%的要求。

表2現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)標準I/A實測電流值i/A仿真電流值i/A精度1000≥3839．440．39882．54%2000≥4850．252．87375．33%5000≥4853．054．87683．54%8000≤5552．653．78352．25%

5 結(jié) 語

本文應用電磁仿真軟件Ansoft對電機進行磁場分析，不僅能正確有效的得到電機實際運行時可靠數(shù)據(jù)資料和電機的輸出特性，還能夠在電機設計和性能測試中大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

[1] 李家國,葛維晶,張立鵬.摩托車用磁電機設計程序[J].微特電機,2004,32(6):13-15.

[2] 湯蘊璆,羅應立,梁艷萍.電機學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008:91-93.

[3] 周芮凱.摩托車用磁電機輸出電壓的調(diào)節(jié)(一)[J].摩托車技術(shù),1993(6):5-9.

[4] 周芮凱.摩托車用磁電機輸出電壓的調(diào)節(jié)(二)[J].摩托車技術(shù),1994(1):9-11.