自励式电涡流缓速器发电机的仿真实验研究

刘豪睿，衣丰艳，杨君

（1.德州学院 汽车工程学院，山东 德州 253023；2.山东交通学院 汽车工程学院，山东 济南 250023）

前言

传统电涡流缓速器已经成为重型车辆和客车的关键配置，并有较多的相关论文发表[1-3]。电涡流缓速器需要汽车电池充电系统的至少10A的电流，将会引发潜在的问题，为此，自励式电涡流缓速器的研发随之成为热点。Haijun设计了一种具有两个转子的自励式缓速器[4]，并包含有一个内置永磁发电机。Zhang设计了一种自励式电磁液冷缓速器结构，运用有限元法分别对该缓速器电磁场和制动性能进行分析，应用有限体积法对缓速器瞬态流场-热场进行数值模拟[5]。Nian在自励式缓速器中设计了一种无刷直流发电机[6]。杨效军基于传热学理论和有限元对一种自励式缓速器瞬态温度场数值分析[7]。以上类型的自励式电涡流缓速器结构复杂，较难推广到实际应用。永磁同步发电机的结构多种多样，不同结构的永磁发电机性能各异[8]，而极槽数相近的外转子集中绕组永磁同步发电机具有直驱性能好启动磁阻力矩小、高转矩密度、高功率密度、绕组利用率高以及工艺结构简单等多种优良性能[9-11]，非常符合低速易启动小功率和高效率的特性，因此本文针对将自励式电涡流缓速器的发电机部分设计为外转子发电机。在已有文献中，该种电机的技术资料较少，本文的目的是使用有限元发对电机结构参数进行仿真，并且同实验数据进行对比，来验证理论分析结果的可行性。

1 自励式电磁缓速器结构与工作原理

新型自励式电磁缓速器由电涡流缓速器部分和外转子发电机部分组成，其结构如图1所示。励磁绕组和发电绕组固定在一起，转子盘采用通风式结构，发电机的永久磁铁同转子盘连接。当缓速器工作时，转子轴拖动转子盘和永磁旋转，发电线圈发出的电通过控制系统给励磁绕组供电，提供励磁电流的同时产生发电转矩。转子盘表面切割磁力线，感应出涡流电势的同时产生电涡流制动转矩。

图1 自励式电涡流缓速器结构

表1 电涡流缓速器的制动力矩（励磁电流55A）

由此可以计算发电机额定功率：PN= Pmax/λ式中λ为电机过载系数，本文发电机设计的过载系数为2.5，则额定功率Pmax计算值为（24×55×2.5）kW=3.3kW，为了进一步计算需求的电功率，必须要定义出系统器件的工作效率，在满负载的情况下效率大约为95%，因此计算系统电功率需求约为3.5kW。

综合各种永磁电机的性能并结合电涡流缓速器的结构特点，选用6极18槽外转子永磁同步发电机。下面将从振动与噪声、电机重量、永磁体利用率及输出电压方面进行分析。为了减少前期实验研发成本，将发电机与缓速器的设计并列进行，即建立发电机的模型，通过方便的实验手段来验证模型仿真的结果是否正确。根据紧凑型高效发电机的开发要求，确定一款永磁同步发电机样机，其参数见表2。

表2 发电机性能参数

2 数值分析

由于永磁电机是对称的模型，为了简化计算，由于永磁发电机磁力线在其内部径向闭合，因此采用二维瞬态数值模拟即可对其电磁场进行准确分析，并减少运算时间。对永磁发电机部分模型的边界条件采用反对称周期边界。图2为发电机在ANSYS Maxwell中的数值模拟模型。

图2 发电机数值模拟模型

当发电机处于空载时，气隙的磁通密度为1.6T左右。磁路设计在合理范围之内。

图3 发电机空载磁密分布云图

由于永磁发电机的外部负载为缓速器线圈，其阻值为 1欧姆，因此在数值模拟外电路中负载简化为1Ω电阻，模型设定转速n=1500r/min。图4为发电机负载磁密分布云图，从图中可以看出，发电机在负载情况下气隙磁密为1.6T，验证发电机主体设计中，各部分磁密设计在合理范围之内。

图4 发电机负载磁密分布云图

3 实验研究

通过获得永磁发电机空载特性、负载特性以及外特性，用来验证发电机设计是否满足缓速器要求，同时验证发电机是否满足缓速器所需的功率要求。图5为永磁发电机试验台。在图6和图7中，二维瞬态场计算结果和实测的试验数据的对比，可以得到数据仿真结果和试验结果基本吻合。在测试负载特性时，负载使用带电感的 1Ω电阻，和缓速器线圈阻值以及电感相同。缓速器工作时需发电机提供励磁电流最大为55A，从实验结果可以看出，所设计的发电机满足缓速器要求。

图5 为永磁发电机试验台

图6 空载情况下直流输出电压和转速的关系

图7 负载情况下直流输出电压和转速的关系

4 结论

本文对一种自励式电涡流缓速器的发电机部分进行了分析，得出了电涡流缓速器永磁发电机的设计要求，讨论了满足这些设计要求应采取的设计，通过有限元仿真和实验结果对比分析可知，永磁发电机适应电涡流所需的励磁电流要求，增加同等条件下的制动力矩，解决缓速器的独立供电问题，减少对其它汽车电器的干扰，由此验证了本文分析的合理性。该分析过程和设计结果可以为后续该型自励式电涡流缓速器的研发提供参考。

参考文献

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[2] 何仁; 赵强; 胡东海. 永磁式缓速器的制动力矩分级结构设计.吉林大学学报(工学版), 2015, 45(04): 1056-1062

[3] 衣丰艳, 于明进, 刘成晔. 电涡流缓速器的三维数值仿真[J]. 系统仿真学报, 2010, 22(7): 1592-1595.

[4] Haijun S, He R, Yang XJ. Experiment study and design of selfexcited retarder[J]. Automotive Technology, 2010, 32(3): 258-262.

[5] Zhang K, Li D, Du X, Zheng R. Numerical analysis and experimentation of a novel self-excited and liquid- cooled eddy current brake[J].IEEE Transactions on Energy Conversion, 2014, 29(1): 196-201.

[6] Nian X, Peng F, Zhang H. Regenerative braking system of electric vehicle driven by brushless dc motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(10): 5798-5808.

[7] 杨效军, 何仁, 冯益增. 自励式缓速器瞬态温度场数值分析[J].机械设计, 2013, 30(7): 5-9.

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[10] Elrefaie AM, Jahns TM, Novotny DW. Analysis of surface permanent magnet machines with fractional-slot concentrated windings[J].IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, 21(1): 34-43.

[11] 王隆彪, 杨宗霄. 外转子永磁同步发电机的Magnet仿真分析[J].微电机, 2013, 46(8): 10-14.