车用爪极发电机新型三维分段等效磁路法研究_杨宇哲.pdf

1、第 卷 第 期 兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收 稿 日 期：；修 回 日 期：基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（）作 者 简 介：杨 宇 哲（），男，硕 士 研 究 生，：。通 信 作 者：赵 博（），男，博 士，教 授，博 士 生 导 师，：。：车 用 爪 极 发 电 机 新 型 三 维 分 段 等 效 磁 路 法 研 究杨 宇 哲，赵 博，孙 金 涛，张 宗 京，杨 鹏（山 东 理 工 大 学 电 气 与 电 子 工 程 学 院，山 东 淄 博；山 东 山 博 电 机 集 团 有 限 公 司，山 东 淄 博）摘 要：电 励 磁 爪 极 发 电 机 凭 借

2、其 机 械 强 度 高、可 靠 性 强 等 优 点 广 泛 应 用 于 重 型 军 用 车 辆 领 域。采 用 三 维 有 限 元 法 计算 用 时 较 长，而 传 统 等 效 磁 路 法 存 在 漏 磁 考 虑 不 充 分，结 果 不 精 确 等 缺 陷。在 现 有 二 维 磁 路 模 型 基 础 上，提 出 了 一种 基 于 轴 向 分 段 的 爪 极 发 电 机 新 型 三 维 磁 路 数 学 模 型，该 模 型 计 算 结 果 精 确，漏 磁 考 虑 充 分，大 大 降 低 了 三 维 有 限元 法 的 计 算 时 长。同 时，推 导 出 了 各 部 分 磁 阻 的 解 析 计 算 公

3、 式，在 此 基 础 上 得 到 了 电 机 反 电 动 势 解 析 值 以 及 磁 密值。最 后，通 过 对 比 分 析 三 维 有 限 元 数 值 计 算 方 法 与 新 型 三 维 磁 路 分 析 方 法 的 解 析 结 果 表 明 了 外 特 性 曲 线 中 两 者电 机 端 电 压 极 差 为，验 证 了 所 提 出 方 法 和 理 论 分 析 的 正 确 性 与 合 理 性，为 研 究 电 励 磁 爪 机 发 电 机 的 电 磁 特 性分 析 提 供 了 理 论 依 据。关 键 词：爪 极 电 机；等 效 磁 路；解 析 计 算；数 值 分 析；有 限 元 计 算本 文 引 用 格

4、 式：杨 宇 哲，赵 博，孙 金 涛，等 车 用 爪 极 发 电 机 新 型 三 维 分 段 等 效 磁 路 法 研 究 兵 器 装 备 工 程 学 报，（）：，（）：中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：（），（，；，）：，：；引 言电 励 磁 爪 极 发 电 机 可 靠 性 好，机 械 强 度 较 高，对 于 工 作环 境 要 求 不 严 格，被 广 泛 应 用 于 装 甲 车 辆，坦 克 战 车 上。同时，因 为 其 特 殊 的 三 维 结 构，也 导 致 了 该 电 机 磁 路 长，漏 磁 系数 高，以 及 多 漏 磁 路 径 等 缺 点，降 低 了 电 机 在 使

5、用 过 程 中 的效 率，导 致 该 电 机 的 发 电 容 量 下 降，致 使 装 甲 车 辆 中 用 电 器的 总 功 率 容 量 提 升 困 难。因 此 对 爪 极 电 机 进 行 精 确 的 解 析计 算，对 研 究 和 优 化 爪 极 电 机 的 性 能 十 分 重 要。目 前，针对 爪 极 电 机 的 特 殊 三 维 结 构，国 内 外 一 般 采 用 三 维 有 限 元 法来 进 行 精 确 计 算，但 因 三 维 有 限 元 法 由 于 计 算 量 大，计 算 时间 较 长，受 到 网 格 划 分 因 素 的 影 响，对 于 后 期 电 机 优 化 所 要求 的 不 同 结 构

6、 参 数 的 电 机 计 算 以 及 分 析 造 成 困 难。因 此，运用 解 析 法 对 电 机 进 行 解 析 计 算 有 重 要 意 义。为 建 立 较 为 精 确 的 解 析 模 型，文 献 中 以 外 永 磁 转 子式 爪 极 电 机 为 例，建 立 了 二 维 等 效 磁 路，但 该 磁 路 模 型 没 有充 分 考 虑 爪 极 电 机 主 磁 通 的 轴 向 分 量，且 对 于 爪 极 电 机 的 漏磁 考 虑 不 够 充 分。文 献 中 都 采 用 三 维 等 效 磁 网 络 法对 爪 极 电 机 进 行 解 析 计 算，但 三 维 磁 网 络 法 构 建 磁 网 络 较 为复

7、 杂，且 计 算 结 构 受 磁 网 络 剖 分 单 元 影 响 较 大，容 易 产 生 计算 误 差。文 献 中 利 用 麦 克 斯 韦 张 量 法 建 立 了 电 磁 力 的 解析 模 型，通 过 解 析 公 式 的 方 式 对 电 机 的 气 隙 磁 场 以 及 径 向 电磁 力 进 行 计 算。虽 然 对 电 机 的 三 维 结 构 特 点 考 虑 较 为 充 分，但 是 没 有 考 虑 电 机 轴 向 磁 通 分 量 的 影 响。对 于 爪 极 电 机 的 解 析 计 算，目 前 常 用 的 方 法 有 种，分别 是 二 维 磁 路 模 型 解 析 计 算 和 三 维 等 效 磁 路

8、 法。二 维 磁 路模 型 中 对 于 漏 磁 以 及 多 方 向 磁 通 的 考 虑 不 够 充 分，三 维 等 效磁 网 络 法 构 建 磁 网 络 时 较 为 复 杂，且 对 于 磁 网 络 的 网 格 抛 分要 求 较 高。本 文 中 依 据 现 存 的 种 方 法，综 合 种 方 法 的 优点，基 于 原 有 二 维 磁 路 模 型，本 文 中 提 出 了 电 励 磁 爪 极 发 电机 的 新 型 三 维 分 段 磁 路 解 析 模 型，在 充 分 考 虑 其 不 规 则 爪 极形 状 的 同 时，考 虑 了 多 条 漏 磁 支 路 的 影 响，推 导 出 了 各 磁 阻的 解 析

9、计 算 公 式，建 立 了 电 励 磁 爪 极 发 电 机 的 新 型 三 维 分 段磁 路 模 型。之 后，通 过 三 维 有 限 元 法 验 证 了 该 种 方 法 的 准 确性，为 该 种 电 机 的 后 续 优 化 工 作 提 供 了 一 种 快 速 准 确 的 计 算方 法。爪 极 发 电 机 的 主 磁 路电 励 磁 爪 极 发 电 机 励 磁 来 源 是 固 定 在 支 架 上 的 励 磁 绕组，在 电 机 空 载 时，爪 极 电 机 的 磁 通 主 要 分 为 两 部 分：主 磁 通与 漏 磁 通，主 磁 通 为 穿 过 电 枢 线 圈 成 为 感 应 电 势 的 磁 通，漏磁

10、 通 为 未 穿 过 电 枢 线 圈 的 磁 通。由 于 该 电 机 特 殊 的 三 维 结构，使 得 其 主 磁 路 与 其 他 电 机 有 本 质 区 别，由 励 磁 线 圈 通 电后 产 生 的 轴 向 磁 通，经 过 爪 极 结 构 后 磁 通 改 变 方 向，转 化 为径 向 磁 通。爪 极 电 机 的 主 磁 路 如 图 所 示。由 励 磁 绕 组 产生 的 轴 向 磁 通，经 过 前 爪 极 结 构 之 后，转 化 为 的 径 向 磁 通，通过 主 气 隙 进 入 电 枢 绕 组，之 后 经 过 气 隙 通 过 后 爪 极 形 成 闭 合磁 回 路。在 负 载 状 态 下，定 子

11、 三 相 绕 组 中 电 流 产 生 旋 转 磁 动势，所 以，该 电 机 的 气 隙 磁 场 是 由 励 磁 绕 组 与 定 子 绕 组 中 的电 流 共 同 作 用 产 生。图 爪 极 发 电 机 的 主 磁 路 爪 极 发 电 机 的 三 维 磁 路 构 建因 为 爪 极 形 状 的 特 殊 结 构，导 致 其 气 隙 的 有 效 区 域 与 一般 感 应 电 机 不 同。并 且 其 气 隙 磁 密 大 小 并 不 是 均 匀 分 布 的，而 是 由 爪 根 至 爪 尖 气 隙 磁 密 逐 渐 减 小。传 统 的 磁 路 计 算 方法，往 往 只 考 虑 到 爪 极 磁 路 的 有 效

12、区 域，对 于 爪 极 电 机 气 隙磁 密 的 变 化 没 有 充 分 考 虑，如 果 用 传 统 的 磁 路 法 对 爪 极 电 机进 行 解 析 计 算，因 为 不 能 准 确 的 计 算 气 隙 磁 密，会 导 致 最 后 兵 器 装 备 工 程 学 报：的 计 算 结 果 误 差 偏 大。本 文 中 采 用 的 三 维 磁 路，不 仅 考 虑 了气 隙 有 效 面 积 的 问 题，同 时 也 考 虑 到 气 隙 磁 密 变 化 的 问 题，能 够 更 准 确 的 计 算 出 电 机 各 部 分 的 磁 通 大 小。如 图 所 示，将 气 隙 的 有 效 面 积 在 爪 极 上 表 示

13、，可 以 得到 图（）所 示，将 气 隙 部 分 按 轴 向 长 度 等 分 为 部 分，并 将每 一 部 分 的 气 隙 有 效 区 域 进 行 等 效，等 效 后 如 图（）所 示。等 效 后 每 部 分 的 气 隙 面 积 与 等 效 之 前 的 面 积 相 同，等 分 之后，可 单 独 计 算 每 一 部 分 的 气 隙。按 照 气 隙 的 等 分 方 法，同样 可 以 将 每 一 气 隙 分 段 单 元 所 对 应 的 定 子 与 转 子 部 分 进 行剖 分，其 每 一 部 分 的 的 磁 阻 也 分 别 进 行 计 算。图 定 子 齿 与 转 子 爪 极 重 叠 面 积 由 于

14、爪 极 电 机 的 三 维 结 构 特 点，该 种 电 机 中 不 仅 存 在 径向 磁 通，同 时 也 存 在 轴 向 磁 通。由 爪 极 电 机 的 主 磁 路 可 知，爪 极 电 机 的 轴 向 磁 通 主 要 存 在 于 转 子 磁 轭 和 转 子 爪 极 中，而其 他 部 分 只 有 径 向 磁 通 和 切 向 磁 通 流 过，基 于 这 个 特 点，对于 每 一 轴 向 分 段 单 元 内 部，可 只 考 虑 其 径 向 磁 通 与 切 向 磁通，轴 向 分 段 单 元 之 间，通 过 轴 向 磁 阻 进 行 连 接。三 维 磁 路的 优 点 在 于，由 于 每 个 磁 阻 只 考

15、 虑 其 某 一 方 向 的 磁 通，所 以会 极 大 的 简 化 其 计 算 公 式 和 计 算 过 程，同 时，由 于 每 一 轴 向分 段 单 元 分 别 计 算 其 轴 向 以 及 径 向 磁 阻，使 得 计 算 准 确 性 得到 大 大 提 高。整 个 电 机 可 以 分 为 个 主 要 部 分：定 子 及 与 定 子 对 应 的转 子 组 成 的 部 分 和 转 子 两 端 的 端 部 部 分。转 子 两 端 部 分 包括 主 磁 路 经 过 的 两 端 附 加 气 隙，转 子 励 磁 支 架 中 参 与 主 磁 路的 部 分 以 及 转 子 爪 极 极 掌，这 一 部 分 磁 路

16、 通 过 转 子 轭 以 及 爪极 极 掌 的 轴 向 磁 阻 与 电 机 主 要 部 分 连 接。这 一 部 分 对 于 主磁 路 的 影 响 不 大，主 要 是 起 到 构 成 闭 合 磁 回 路 的 作 用。整 个电 机 的 轴 向 划 分 示 意 图 如 图 所 示。其 中，（）和（）为 电 机转 子 端 部 部 分，（）为 前 端 部，（）为 后 端 部；（），（），（）为 电 机 定 转 子 部 分，（）为 定 转 子 前 端 的 轴 向 分 段，（）为 定转 子 中 段 的 轴 向 分 段，（）为 定 转 子 后 端 轴 向 分 段。每 一 剖 分 单 元 轴 向 划 分 部 分

17、 通 过 定 子 与 转 子 相 对 独 立的 构 成 径 向 的 磁 回 路，并 通 过 剖 分 单 元 之 间 的 轴 向 磁 阻 连接，形 成 了 整 个 爪 极 电 机 的 三 维 磁 路。为 简 化 计 算，本 文 中 只 考 虑 电 机 一 对 极 下 的 情 况。通常，为 把 电 机 各 部 分 磁 场 简 化 为 相 应 的 磁 路，有 以 下 几 个 简化 的 原 则：（）所 划 分 的 每 段 磁 路 为 同 一 材 料；（）磁 路 的 截面 积 大 体 相 同；（）流 过 该 磁 路 各 截 面 的 磁 通 相 同。（）忽略 饱 和 效 应。图 爪 极 发 电 机 轴 向

18、 分 段 示 意 现 对 市 面 上 一 常 见 的 电 励 磁 爪 极 发 电 机 进 行 分 析，该 电机 主 要 设 计 参 数 见 表。表 电 励 磁 爪 极 发 电 机 参 数 参 数 数 值 参 数 数 值定 子 内 径 气 隙 宽 度 定 子 外 径 爪 尖 宽 度 定 子 铁 芯 长 度 爪 根 宽 度 爪 尖 厚 度 爪 极 长 度 爪 根 厚 度 爪 极 内 侧 角 转 速（）相 数 定 转 子 主 磁 路 的 构 建定 转 子 部 分 磁 路 作 为 磁 路 的 主 要 部 分，其 对 磁 路 的 影 响十 分 明 显。将 定 转 子 部 分 沿 轴 向 剖 分 为 部

19、分，每 一 部 分 进行 单 独 考 虑。由 于 上 文 所 提 到 爪 极 电 机 磁 路 的 特 殊 性，在 每一 抛 分 部 分 内 仅 考 虑 径 向 的 磁 阻，在 轴 向 分 段 单 元 之 间，以轴 向 磁 阻 连 接。定 子 部 分 磁 路定 子 铁 芯 的 磁 阻 分 为 两 部 分，定 子 轭 磁 阻 与 定 子 齿 部 磁阻，其 中 仅 存 在 单 一 方 向 的 磁 通，故 定 子 铁 芯 的 两 部 分 磁 阻仅 考 虑 一 个 方 向 即 可。定 子 轭 磁 阻 近 似 为 一 圆 环 体，因 为 只 考 虑 一 对 极 下 的 磁路，故 其 磁 阻 形 状 可 等

20、 效 为 沿 圆 周 方 向 等 分 为 份 的 圆环 体。（）（）其 中：为 每 一 剖 分 部 分 的 铁 芯 轴 向 长 度；为 电 机 直 径；为 定 子 齿 高；为 电 机 定 子 部 分 的 磁 导 率；为 电 机 的 极 杨 宇 哲，等：车 用 爪 极 发 电 机 新 型 三 维 分 段 等 效 磁 路 法 研 究 对 数。由 于 计 算 电 机 为 平 行 齿，所 以 定 子 齿 部 磁 阻 可 以 将 其 近似 看 作 一 长 方 体，其 磁 阻 公 式 如 下：（）其 中：为 定 子 齿 计 算 宽 度。图 定 子 分 段 单 元 结 构 参 数 主 气 隙 磁 阻由 于

21、主 磁 通 通 过 气 隙 进 入 定 子 齿 部，所 以 在 计 算 主 气 隙磁 阻 时，只 需 要 计 算 转 子 爪 极 与 定 子 齿 的 重 叠 面 积 即 可。爪极 部 分 可 分 成 三 段 来 考 虑，将 图（）阴 影 部 分 所 示 的 气 隙磁 阻 等 效 为 如 图（）所 对 应 的 气 隙 磁 阻，每 一 段 等 效 后 的高 度 为 爪 极 长 度 的 三 分 之 一，宽 度 为 等 效 前 所 示 梯 形 中 线 的宽 度，等 效 之 后 可 以 得 到 一 极 下 的 气 隙 磁 阻：（）其 中：为 转 子 爪 极 的 轴 向 长 度；为 气 隙 厚 度；为 空

22、 气 磁导 率。等 效 长 度 为 轴 向 分 段 单 元 等 效 长 度，其 计 算 公 式如 下：，（）其 中：为 定 子 槽 口 宽 度；为 每 轴 向 分 段 单 元 的 等 效 长 度。其 计 算 公 式 如 下：（），（）式 中：为 图（）中 所 示 夹 角；为 爪 极 根 部 宽 度。转 子 爪 极 磁 阻爪 形 磁 极 由 于 其 形 状 的 特 殊 性，其 轴 向，径 向 的 磁 阻 是不 同 的。由 于 爪 极 从 根 部 至 爪 尖 截 面 积 不 断 缩 小，所 以 在 将其 沿 轴 向 等 分 为 三 分 时，每 一 部 分 将 其 等 效 成 长 方 体，其 轴向

23、长 度 即 为 轴 向 分 段 单 元 的 长 度 即，径 向 长 度 为 等 效 的剖 分 单 元 中 线 的 长 度，等 效 后 每 个 爪 极 单 元 的 厚 度 为 等 效 前梯 形 中 线 所 在 位 置 的 厚 度，下 面 给 出 每 个 剖 分 单 元 的 轴 向 磁阻 和 径 向 磁 阻：轴 向：（）径 向：（）其 中：（），（，），为 每 一 剖 分 单 元长 度；，为 爪 极 内 侧 夹 角；为 爪 极 尖 部厚 度；为 爪 极 根 部 厚 度；为 爪 极 部 分 的 磁 导 率。图 爪 极 分 段 单 元 侧 视 转 子 轭 轴 向 磁 阻转 子 轭 部 分 磁 阻 计 算 较 为 简 单，其 每 一 剖 分 部 分 磁阻 为：（）（）其 中：为 转 子 轭 内 径；为 转 子 轭 的 外 径；为 转 子 轭 部分 的 磁 导 率。图 爪 极 结 构 参 数 励 磁 磁 动 势 以 及 电 枢 反 应本 文 研 究 电 机 的 励 磁 方 式 为 电 励 磁，由 于 是 对 该 爪 极 电机 一 对 极 下 的 磁 路 进 行 研 究，所 以 总 的 励 磁 磁 动 势 为：（）每 极 的 电 枢 反 应 大 小 为：（）其 中：为 励 磁 线 圈 匝 数；为 励 磁 电 流 大 小；为 电 机 相 数，兵 器 装 备 工 程 学 报：