基于场路耦合方法研究汽车用永磁发电机系统

　第３６卷第１２期　２０１３年１２月

（自然科学版）

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＥＦＥＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

合肥工业大学学报

Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１２　Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３‐５０６０．２０１３．１２．０１０

基于场路耦合方法研究４２Ｖ汽车用永磁发电机系统

倪有源，　赵　亮，　李　伟

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥　２３０００９）

摘　要：文章采用场路耦合方法进行分析，利用商用Ａｎｓｏｆｔ软件中的Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ模块和Ｓｉｍｐｌｏｒｅｒ模块，采用场路耦合方法建立并研究了一台４２Ｖ汽车用永磁发电机系统。对于不可控整流桥和全控整流桥，分别得出额定转速下不同负载对于蓄电池电压的影响，并得出不同转速下发电机铁耗和蓄电池电压。关键词：场路耦合方法；永磁同步发电机；不可控整流桥

中图分类号：ＴＭ３５１　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１００３‐５０６０（２０１３）１２‐１４５１‐０５

Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａ４２Ｖａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｇｅｎｅｒａｔｏｒ

ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｆｉｅｌｄ‐ｃｉｒｃｕｉｔｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）

ＮＩＹｏｕ‐ｙｕａｎ，　ＺＨＡＯＬｉａｎｇ，　ＬＩＷｅｉ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｉｅｌｄ‐ｃｉｒｃｕｉｔｃｏｕｐｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｏｆａ４２Ｖａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｏｎｅ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｄｕｌｅｓｏｆｔｈｅＭａｘｗｅｌｌ２ＤａｎｄＳｉｍｐｌｏｒｅｒｏｆｔｈｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｓｏｆｔｗａｒｅＡｎｓｏｆｔ，ｔｈｅ４２Ｖａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｅｌｄ‐ｃｉｒｃｕｉｔｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｆｏｒｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｃｔｉｆｉｅｒｂｒｉｄｇｅａｎｄｆｕｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｃｔｉｆｉｅｒｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｏｆｂａｔｔｅｒｙｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄａｔｒａｔｅｄｓｐｅｅｄｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｉｒｏｎｌｏｓｓａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｏｆｂａｔｔｅｒｙａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄｗｅｒｅｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｅｌｄ‐ｃｉｒｃｕｉｔｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｃ‐ｔｉｆｉｅｒｂｒｉｄｇｅ

　　汽车中采用的电励磁爪极发电机，存在功率小、效率低的缺点。随着车载设备的增加，汽车对电量的需求也急剧增加。采用４２Ｖ电气系统，汽

［１］

车发电机的输出功率和效率可以显著提高。永磁同步发电机具有体积小、质量轻、结构简单、成本低及效率高等优点，不久将可能代替电励磁发电机，成为汽车用发电机的首选。因此，对于４２Ｖ永磁同步发电机系统的研究具有重要意义。

国内外对永磁同步发电机及其性能分析方面展开了广泛的研究。文献［２］采用等效磁路的方法设计了一台４２Ｖ永磁同步发电机；文献［３］对４２Ｖ异步起动‐发电机系统进行建模和仿真，采用场路耦合方法计算永磁同步发电机的效率；文　　

献［４］利用软件搭建了４２Ｖ汽车爪极同步发电机系统，但其瞬态运行状态并不完全符合实际运行状况；文献［５］研究了永磁同步发电机系统在直接转矩控制下的电磁转矩和定子磁链精确线性化解耦控制策略；文献［６］利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件研究了永磁同步发电机无位置传感器的定向磁场控制策略；文献［７］采用等效磁路法对混合励磁同步发电机的特性进行了研究；文献［８］采用有限元方法分析了永磁同步发电机；文献［９］采用直接转矩控制的方法对风力用永磁同步发电机进行了研究；文献［１０］采用有限元法设计并研究了一台永磁同步发电机。

关于采用场路耦合方法对永磁同步发电机系

收稿日期：２０１３‐０４‐１７；修回日期：２０１３‐０６‐２２基金项目：安徽省高等学校省级自然科学研究重点资助项目（ＫＪ２０１０Ａ０２５７）作者简介：倪有源（１９７６－），男，安徽合肥人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师．

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统进行的研究很少。采用场路耦合方法可以使得电机的瞬时运行状态和实际运行状况相当逼近，并可以计算等效磁路方法不易准确得出的一些参数，例如极弧系数、漏磁系数等。本文利用商用软件Ａｎｓｏｆｔ中的Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ模块和Ｓｉｍｐｌｏｒｅｒ模块，采用场路耦合方法建立并研究了一台４２Ｖ汽车用永磁发电机系统。对于不可控整流和全控整流桥，分别得出额定转速下不同负载对于蓄电池电压的影响，并得出不同转速下发电机铁耗和蓄电池电压。研究结果为汽车用永磁发电机系统的楚Ａ－με（抄Ａ／抄ｔ）＝－μＪ（２）

其中，Ａ为磁矢位；ε为介电常数；μ为磁导率。

对于静态场，麦克斯韦方程组中的时变项均为０。（２）式中的时变项也为０。因此，在有电流源分布的区域，磁矢位满足泊松方程：

楚２Ａ＝－μＪ（３）在没有电流源分布的区域，磁矢位满足拉普拉斯方程：

楚Ａ＝０

磁矢位Ａ与磁感应强度Ｂ的关系式为：

２

（４）

研究提供了参考。

１　永磁发电机电磁场计算

分析的永磁发电机模型如图１所示。定子采用双层绕组，硅钢片采用５０ＷＷ４７０，转子采用凸极结构，永磁体材料采用ＮｄＦｅ３０。其交直轴磁阻基本相同。永磁同步发电机主要参数见表１

所列。

图１　永磁发电机模型表１　永磁同步发电机主要参数参　　数

数值额定功率／Ｗ２０００有效长度／ｍｍ１５５定子外径／ｍｍ１５０定子内径／ｍｍ８５转子外径／ｍｍ８４永磁体径向长度／ｍｍ５极弧系数０畅６６７定子槽数３６斜槽１槽满率／％

７５畅５３

麦克斯韦方程组中全电流定律的微分形式为［１１］：

楚×Ｈ＝Ｊ＋抄Ｄ／抄ｔ（１）

其中，Ｈ为磁场强度；Ｊ为传导电流密度；抄Ｄ／抄ｔ为位移电流密度。

由洛仑兹条件代入全电流定律，得到时变场的偏微分方程为

［１１］

：

Ｂ＝楚×Ａ（５）

利用有限元方法求解微分方程，得到电机磁场分布。然后计算电机的性能参数。

永磁同步发电机的功率方程为：Ｐ１＝ｐΩ＋ｐＦｅ＋Ｐｅ其中，Ｐ为发电机轴上输入的机械功率；ｐ（６）

１Ω为机械损耗；ｐＦｅ率减去电枢铜耗为定子铁耗ｐＰＣｕａ２，表达式如下：

，即为发电机的输出电功率；Ｐｅ为电磁功率。电磁功Ｐｅ＝ｐｐＣｕａ＋ＲＰ２

Ｃｕａ为相数；Ｉ为相电流＝ｍＩ２

ａ

（７）（８）

其中，ｍ；Ｒａ为定子电阻。

所以可得发电机的效率为：

η＝１＝ΩＦｅｅ

（９）运用Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ对额定状态时的永磁同步发电机进行分析，得出永磁同步发电机主要性能参数，见表２所列。

表２　永磁同步发电机主要性能参数

参　　数

数值直轴同步电抗／Ω０畅０７３交轴同步电抗／Ω０畅０７３铁耗／Ｗ３２畅９３０１铜耗／Ｗ１０６畅８６０输入功率／Ｗ２３７８畅１００输出功率／Ｗ２１３８畅３１０

气隙磁密／Ｔ０畅７８０发电机效率／％

８９畅９２０

利用二维有限元方法，计算得到的三相感应

电动势和相电流如图２所示。

由图２可看出，发电机三相感应电动势有效值分别为：１７畅５３、１７畅５、１７畅４６Ｖ，取平均电压值为１７畅５Ｖ；三相相电流有效值分别为：４４畅０７、４３畅７６、４３畅３Ａ，取平均相电流为４３畅７１Ａ。

图２　有限元法得到的三相感应电动势、三相相电流

２　永磁发电机控制系统研究

以二维有限元方法为基础，Ｓｉｍｐｌｏｒｅｒ软件模

块为平台搭建电压开环结构的４２Ｖ发电机系统。初始设计时，需调节外部电路使发电机达到额定输出状态。输出分别连接三相不可控整流桥和三

相全控整流桥，改变整流桥后负载的大小，得出电压和电流波形。现实的铅酸蓄电池冲放电特性变化很大，而本文使用电容、电阻和电感的电路组合模拟负载部分，改变它们的大小，研究不同负载下发电机输出特性的变化。永磁发电机不可控系统、全控系统结构，如图３

所示。

图３　永磁发电机不可控系统、全控系统结构

　　（１）三相不可控整流桥。运用Ａｎｓｏｆｔ软件

将ＲＭＸＰＲＴ的模型转化为Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ模型后，在Ｓｉｍｐｌｏｒｅｒ平台里进行联合仿真，此时需要考虑发电机负载和端部情况。额定状态下，负载电阻和电感为额定数值。在该系统中，永磁发电机直接与二极管桥式整流器相连，从而为蓄电池充电，使蓄电池电压维持在预设值上。蓄电池充满

电后，提供给用电负载。在发电机额定转速下，研究不同负载对于蓄电池电压的影响，即在不同电容、电阻以及电感的情况下，得出蓄电池的电压。

（２）三相全控整流桥。在Ｓｉｍｐｌｏｒｅｒ平台里，用ＩＧＢＴ全控整流桥和Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ共同搭建永

磁同步发电机系统。此时永磁发电机直接与ＩＧ‐ＢＴ整流桥相连，从而为蓄电池充电，使蓄电池电压维持在预设值上。蓄电池充满电后，提供给用电负载。在发电机额定转速下，得出蓄电池电压，研究不同负载对于蓄电池电压的影响。

可控系统，其仿真运行后的发电机三相电流、三相电压如图４所示。

（２）三相全控整流桥。取并联电容Ｃ分别为０畅００１、０畅００５Ｆ并且导通角为０°时，发电机输出整流后的结果与三相不可控整流结果大致相同，结果如图５ａ所示。取电容Ｃ＝０畅００５Ｆ，改变全控整流桥导通角，得到不同导通角时电容电压值，结果如图５ｂ

所示。

３　仿真结果

（１）三相不可控整流桥。对于永磁发电机不

图４　额定负载时发电机输出三相电流

、三相电压

图５　全控不同电容、全控不同导通角时电容电压

　　取电容Ｃ＝０畅００５Ｆ，电阻分别取０畅８、１６Ω，

设整流桥导通角为０°，其仿真结果与不可控时相同，故确定电阻为１６Ω，改变导通角的大小，得到电容电压结果如图６所示。

（３）不同转速下系统仿真结果。由于永磁发电机直接由汽车发动机带动，其转速是随时变化的。研究发电机在非额定条件下的性能，分析不同转速下发电机系统的输出特性，是十分必要的。

分析发电机铁耗在不同转速下的变化趋势，取１２００、１５００、１８００、２１００ｒ／ｍｉｎ４种状态，结果如图７ａ所示。由图７ａ可得，发电机转速不同，定子铁耗值不同；转速升高，铁耗相应增加；铁耗

占损耗比值较小，

对发电机效率影响较小。

图６　全控带电阻不同导通角时电容电压

图７　不同转速下发电机铁耗、电容电压

　　在电压开环全控整流桥仿真的基础之上，分

析发电机系统在不同转速下的性能。发电机转速分别取值为：１２００、１５００、１８００、２１００ｒ／ｍｉｎ。全控桥导通角设置为０°，负载电容、电阻、电感分别取０畅００５Ｆ、８Ω和１０μＨ。分析结果如图７ｂ所示。由图７ｂ可以看出，当发电机转速变化时，负载电容电压也随之改变；转速越高，电容两端电压值越高。

［３］　史立伟，张学义．采用异步电机的４２Ｖ汽车起动‐发电机系

统的建模与仿真［Ｊ］．电机与控制应用，２００８，３５（３）：１９－２１．

［４］　伍　健，卢子广，曹　伟，等．４２Ｖ汽车爪极同步发电机系

统的设计与分析［Ｊ］．装备制造技术，２００８（１２）：１－５．［５］　周扬忠，许海军，毛　洁．永磁同步发电系统中转矩和磁链

精确线性化解耦控制［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１２，３２（２４）：９６－１０２．

［６］　ＯｗｅｎＪ，ＳｔｒｏｕｓｅＪ，ＭａｒｃｅｌＭＪ．Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｆｉｅｌｄｏｒｉｅｎｔｅｄ

ｃｏｎｔｒｏｌｕｔｉｌｉｚｉｎｇａｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｏｂｓｅｒｖｅｒｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｎａｃ‐ｔｉｖｅｌｙ‐ｒｅｃｔｉｆｉｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ｃ］／／ＡｐｐｌｉｅｄＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＰＥＣ），２０１１：１０１７－１０２１．

［７］　朱诗顺，杨春宝，李建文，等．混合励磁永磁同步发电机等效

磁路分析研究［Ｊ］．防爆电机，２００９，４４（１４９）：８－１１．［８］　ＣｈｅｎＹｉｎｇ，ＷａｎｇＤｏｎｇ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆ

ｓｕｒｆａｃｅ‐ｉｎｓｅｒｔｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ６６５－６６８．

［９］　ＲａｊａｅｉＡ，ＭｏｈａｍａｄｉａｎＭ，ＹａｚｄｉａｎＶａｒｊａｎｉＡ．Ｖｉｅｎｎａ‐ｒｅｃｔｉ‐

ｆｉｅｒ‐ｂａｓｅｄｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆＰＭＳＧｆｏｒｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙ２９１９－２９２９．

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１３，６０（７）：［Ｃ］／／ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＩＣＥＣＥ），２０１１：

４　结束语

采用场路耦合方法可以精确计算电机内部的

电磁场，使得电机瞬态分析更能接近实际状况。本文利用商用软件Ａｎｓｏｆｔ中的Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ模块和Ｓｉｍｐｌｏｒｅｒ模块，采用场路耦合方法建立并研究了一台４２Ｖ汽车用永磁发电机系统。对于不可控整流和全控整流桥，分别得出额定转速下不同负载对于蓄电池电压的影响，并得出不同转速下发电机铁耗和蓄电池电压。研究结果可为汽车用永磁发电机系统的研究提供参考。

［参　考　文　献］

［１］　卢子广，伍　健，唐伟杰．４２Ｖ汽车异步发电系统直接功率

控制实验研究［Ｊ］．微电机，２００９，４２（１１）：１０－１２．

［２］　黄会平，倪有源，李　伟．４２Ｖ汽车用永磁发电机研究［Ｊ］．

微电机，２０１２，４５（６）：１８－２２．

［１０］　何庆领，王群京．低速永磁风力发电机的参数分析及优化

设计［Ｊ］．合肥工业大学学报：自然科学版，２０１１，３４（９）：１３１７－１３２０．

［１１］　张榴晨，刘　松．有限元法在电磁计算中的应用［Ｍ］．北

京：中国铁道出版社，１９９６：１６－１９．

（责任编辑　张　镅）