电机结构参数对永磁起动电机性能的影响

第3章电机结构参数对永磁起动电机性能的影响建立精确的有限元模型，是项目后期分析电机电磁参数对电机性能的影响，以及对电极结构进行优化的基础。

由于电机的性能主要通过电机的输出特性曲线反映出来，所以通过有限元模型计算出来的输出特性曲线和样机实验测得的输出特性曲线的对比，是检验电机的有限元模型是否精确的最有效方法。

本章首先利用ANSOFT的二次开发能力，实现MATLAB-ANSOFT 的联合仿真，并通过联合仿真绘制出有限元模型的输出特性曲线，通过与样机实验测得的输出特性曲线的对比来验证有限元模型的精确性，最后分析电机电磁参数对电机性能的影响。

3.2 MATLAB-ANSOFT联合仿真平台电磁场有限元分析软件ANSOFT是电机设计中最常用的软件之一[38,39]，但是ANSOFT瞬态场仿真分析时，由于仿真条件的设置限制，一次只能获取电机的一个运行状态的输出结果，所以若想获得电机的完整输出特性曲线，必须在每一次仿真运行结束时，人工修改仿真条件并记录仿真结果，不仅仿真计算的不连贯，而且需要大量的人工操作。

针对此问题，本文提出利用在ANSOFT中录制脚本文件的方法，然后利用MATLAB强大的程序编辑能力和数据处理能力，实现MATLAB与ANSOFT的底层调用，即利用ANSOFT的二次开发能力，以程序命令代替人工操作，通过MATLAB以后台形式调用ANSOFT运行并自动保存仿真结果，实现MATLAB与ANSOFT的联合运行。

脚本是实现自动化的一种有用工具，脚本之间的调用也是实现MATLAB-ANSOFT联合仿真的途径。

在Maxwell中，从几何建模、材料属性定义与分配、划分网格、设置加载、仿真条件的设定以及设置模型的运动属性，到求解、后处理、导出数据等都可以以脚本文件的形式录制下来，作为Ansoft与其他专业软件的连接接口，其具体脚本录制是在ANSOFT的主界面中进行设置。

在ANSOFT中录制的脚本文件是用VB编写的记录用户的一系列操作步骤的程序，将其转换为MATLAB可以识别的C语言编写的m函数是实现MATLAB与ANSOFT联合运行的关键。

从脚本文件到m文件命令的变换见表3-1所示。

在具体的程序转换操作中应遵循以下原则：1) 用actxserver()替换CreateObject，例如把“Set oAnsoftApp= CreateObject... ("AnsoftMaxwell.MaxwellScriptInterface")”变为“iMaxwell = actxserver('... AnsoftMaxwell.MaxwellScriptInterface');”。

2) 在定义的文件句柄前删去Set，例如把“Set oDesktop= oAnsoftApp.Get ...AppDesktop()变换成Desktop = iMaxwell.GetAppDesktop();”。

3) 用Invoke命令对工程进行操作，如将“oEditor.CreateRegularPolyhedron”变成“invoke(Editor, 'CreateRegularPolyhedron', ...”。

4) 将矩阵内的元素都写进{}内，例如“Array("NAME:CylinderParameters,…”写成“{'NAME:CylinderParameters',…”。

5) 在仿真结束时，用“Delete(iMaxwell)”结束Maxwell的操作，此操作只是将Maxwell在Matlab中关闭，并未在Ansoft中删除。

6) 将变量、命令均放入单引号内。

3.3 车用永磁起动电机的输出性能曲线通过有限元模型计算出来的输出特性曲线和样机实验测得的输出特性曲线的对比，是检验电机的有限元模型是否精确的最有效方法。

针对起动电机的特点，以及生产厂商内部研究人员的经验，在点火转速(起动电机最大输出功率点左侧)下，电机的输出转矩，或者电机的输出功率达到要求规定大小，是衡量起动电机出厂合格的基本标准。

利用MATLAB-ANSOFT联合仿真，有限元模型计算出来的输出特性与样机试验测得的输出特性的对比曲线如图3-1所示。

为避免一台样机测试的偶然性，图3-1中样机的输出特性值是生产流水线上随机抽取20台电机测试结果的平均值，图3-2为车用永磁起动电机的性能测试试验台。

需要说明的是，为方便仿真值与实验值的对比，在图3-1中，横坐标所显示的速度值是经变速器6倍减速之后直接作用在输出轴上的速度，第二个图中纵坐标的转矩值是电机直接输出的转矩值，直接作用在输出轴上的转矩是此值的六倍。

图3-1中图1所示的电流为蓄电池输出的电流值，在实际的车载蓄电池供电时，蓄电池的内阻是随着温度的变化而变化的，在做起动电机的性能测试时，给电机两端施加12V电压的同时也设置了蓄电池的内阻为14mΩ，此时忽略了温度对蓄电池内阻变化的影响。

从式(2-1)可知，蓄电池的输出电流不仅与电刷压降、电枢内阻有关系，还与感应电动势E a有关，对此带有辅助极的永磁起动电机，式(2-14)已经说明，每极下的气隙磁通不仅与永磁极的剩磁有关，还与电枢电流，或者说转速有关系，所以，在转速较低时，电枢电流比较大，产生的气隙磁通也比较大，根据式(2-2)可知E a值也比较大，当然，随着转速的变化，电机的机械损耗也是影响电流变化的原因，但是与E a的变化大小相比，机械损耗对电流的影响可以忽略。

所以，图3-1中图1所示的蓄电池输出电流与转速的关系曲线并不是直线，而是随着电流的增加，斜率逐渐减小的曲线。

图3-1中图2所示的转矩和转速的关系曲线与电流和转速的关系曲线类似，产生这种结果的原因也相同，都是由于辅助极(助磁条)增磁的作用。

从图中可以看出，在转速为1000转/分钟时，电机经减速器输出的转矩达到12.5牛·米，此时也是电机的输出最大功率点，对一般点火转速要求在700~800转/分钟发动机来讲，此电机的输出性能完全满足要求。

图3-1中图3所示电压与速度的关系曲线和图3-1中图4所示的功率与速度关系曲线分别是根据公式(2-1)、(2-4)计算得来，从图可以看出，电机的最大功率点在转速为1000转/分钟的位置，而发动机的点火转速在最大功率点的左侧，如果将蓄电池，起动电机，发动机看做一个控制系统的话，那么这个系统具有“稳定性”。

所以，带辅助极的永磁起动电机非常适用于汽车发动机的起动[40]。

3.4 电机结构参数对起动电机性能的影响分析电机结构参数对起动电机性能的影响不仅为企业中电机开发人员根据用户对电机性能的要求，对现有电机进行电磁参数的改进时提供依据，也是项目的内容之一。

由于起动电机的定子在安装时起到固定电机、与车载结构楔合的作用，且定子远远大于转子和永磁体长度，所以定子的长度在合理范围内变化时，对电机的性能影响可以忽略，所以在分析电机结构参数对电机的性能影响时，不考虑定子的长度。

考虑到现有生产条件的限制，保持电机的转子不变。

对永磁起动电机而言，除了电机制造的工艺，气隙磁密的大小无疑是影响电机整体性能的关键，根据第二章中电机磁路的分析可知，气隙宽度δ，磁钢厚度T p，定子外壳厚度T sy，永磁极极弧系数αP和辅助极极弧系数αA对电机的气隙磁密均有影响，下面就将这五个电磁参数对起动电机性能的影响作以分析。

3.4.1 气隙宽度对起动电机性能的影响当气隙宽度太大时，气隙的漏磁比较严重；当气隙宽度太小时，虽然漏磁现象得以改善，对电机的制造工艺要求比较高，且容易出现扫膛。

在电机制造工艺允许的情况下，合适选择气隙的大小，对提高电机性能非常重要。

分别取气隙宽度δ为0.35 mm，0.4 mm，0.45 mm，0.5 mm，0.55mm来探求其大小对电机性能的影响。

通过Ansoft Maxwell 二维有限元模型仿真计算，得出在转速n分别为3000转/分钟和15000转/分钟时的输出特性分别如表3-2和3-3所示。

从表3-2所示的电机性能可知，当电机转速较低时，随着气隙宽度的减小，气隙平均磁通密度，输出转矩和输出功率随之增加，而电枢电流随之减小。

随着气隙宽度的减小，磁通回路的磁阻减小，气隙的平均磁密呈现增大趋势，由于转速不变，由式(2-2)可知感应电动势也随之增加；又因为蓄电池提供的电压一定，由式(2-1)可知，蓄电池输出的电流随之减小；然而在转速较低时，输出电流很大，此时辅助极的作用非常显著，且辅助极的导磁材料的磁通已经相当饱和，气隙磁密对转矩的影响大于电枢电流，所以尽管电枢电流随着气隙宽度的减小而减小，但是其输出转矩和输出功率仍然增加。

从表3-3可以看出，在电机转速较高时，虽然随着气隙宽度的减小气隙的平均磁密增加，但是电机的输出转矩和输出功率却随之减小，这是由于此时电机的电枢电流较小，辅助极增磁的作用不明显，且辅助极内的磁通未达到饱和，电枢电流对输出转矩的影响大于气隙的平均磁密。

在转速较低时气隙宽度对电枢电流的影响比较明显，气隙宽度越小，电枢电流也越小，可以减小电机内部的铜耗。

气隙平均磁密反映了电机内部链过转子的磁链大小，气隙平均磁密越大，电机内电、磁之间传递的能量也越大，但是气隙平均磁密大并不意味着电机输出转矩和输出功率就会增加。

由式(2-3)可知，电机的转矩常数有电机本身决定，当电机设计生产出来之后，转矩常数就固定不变了，对一个运行的电机而言，输出转矩的大小主要取决于每极磁通量和电枢电流，所以单纯气隙平均磁密的增加或者减小并不能决定电机输出转矩的增减。

式(2-4)显示，电机的输出功率取决于电机的转速和转矩，当转速不变时，电机输出功率的变化趋势与电机转矩的变化是一致的。

综上所述，考虑到起动电机点火转速，气隙宽度的减小对起动电机的性能是有利的，在高转速时可以降低电枢电流，减小电机内部铜耗；低转速时，能够增大起动电机的输出转矩和输出功率，有利于发动机的点火。

在根据客户要求设计电机时，还要根据现有的生产工艺合适选择气隙宽度，避免一味追求较小的气隙宽度而增加不必要的生产成本。

3.4.2 磁钢厚度对起动电机性能的影响分别取磁钢厚度T p=6.2mm、7.0mm、7.8mm、8.6mm、9.4mm来研究磁钢厚度对电机性能的影响。

通过Ansoft Maxwell 二维有限元模型仿真计算，得出在转速n分别为3000转/分钟和15000转/分钟时的输出特性分别如表3-4和3-5所示。

从表3-4可以看出，在电机转速比较低时，随着磁钢厚度的增加，气隙平均磁密，电机输出转矩以及输出功率均呈现先增大，后减小的趋势，而电枢电流却随之先减小，后增大。

这是因为随着磁钢厚度的增加，在其极弧系数和长度不变的情况下增加了磁能积，导致气隙平均磁密的增加，从而导致电机的输出转矩和输出功率呈现增大的趋势，而电枢电流呈现减小的趋势。