雙定子永磁同步發(fā)電機 (II)——有限元分析及樣機試驗

徐衍亮 王雅玲 劉西泉

（1. 山東大學電氣工程學院 濟南 250061 2. 北京航空航天大學光電科學與工程學院 北京 100083）

1 引言

雙定子永磁同步發(fā)電機首先具有高效、高功率密度特點，同時其內(nèi)、外定子繞組的多種連接方式而具有的寬恒功率調速范圍（作為電動機）及寬恒電壓輸出范圍（作為發(fā)電機），使其在串勵混合動力電動汽車的起動/發(fā)電機[1]、風力發(fā)電機[2]中具有重要應用價值。由于雙定子永磁同步發(fā)電機的特殊結構，盡管可以采用有限元方法對其進行分析[2]，但無法采用現(xiàn)成的電磁設計程序進行電磁設計。本系列文章的第I部分采用響應面法，基于組成雙定子永磁同步發(fā)電機的內(nèi)、外兩個永磁同步發(fā)電機的獨立設計，得到了雙定子永磁同步發(fā)電機的設計方案，因此，本文首先通過對樣機設計方案的有限元分析和樣機實驗，驗證響應面法在雙定子永磁同步發(fā)電機電磁設計中的應用效果。

有文獻對雙定子永磁同步發(fā)電機進行了磁場的有限元分析和樣機試驗，給出了空載時雙定子永磁同步發(fā)電機的計算電動勢波形和試驗電動勢波形的比較[1,2,4]，文獻[5,6]采用有限元分別對雙定子電機的渦流損耗和齒槽轉矩進行了分析，到目前為止，沒有文獻通過有限元分析計算及試驗研究得出雙定子永磁同步發(fā)電機的功率密度的定量結論，也沒有文獻對該種發(fā)電機的電壓調整率進行分析和試驗。因此，本文的另一目的是對雙定子永磁同步發(fā)電機樣機電機進行全面的有限元分析計算和試驗，得到該種電機很低電壓調整率和很高功率密度的結論。

2 樣機電機的有限元分析計算

樣機為三相、380V、5kW、1500r/min，采用4極電機結構，由響應面法得到的其他結構尺寸及性能設計參數(shù)見本系列文章的第I篇。

2.1 空載計算

圖 1為雙定子永磁同步發(fā)電機空載時磁場及氣隙磁通密度分布，圖2分別為額定轉速下外定子、內(nèi)定子及整體雙定子發(fā)電機的永磁相電動勢波形。可以看出，盡管氣隙磁通密度波形正弦性較差，但相電動勢波形正弦性較好。響應面法設計計算、有限元法及試驗法（見后文）得到的雙定子永磁同步發(fā)電機空載相電動勢見下表?？梢钥闯?，三者基本相符，證明了響應面法在雙定子永磁同步發(fā)電機中設計的有效性。

圖1 空載時磁場及氣隙磁通密度Fig.1 Magnetic field and air-gap field flux density distribution when on load

圖2 發(fā)電機空載時永磁相電動勢Fig.2 Calculated phase EMF waveform when no load

表 不同方法得到的空載相電動勢比較Tab. No load phase EMF comparison

雙定子永磁同步發(fā)電機的電磁設計，是通過響應面法綜合了內(nèi)、外永磁同步發(fā)電機的單獨設計而實現(xiàn)。在進行內(nèi)、外永磁同步發(fā)電機的單獨設計時，首先保證轉子軛部對應位置處永磁磁通密度方向相反，其次保證其磁通密度大小相近，實現(xiàn)了雙定子永磁同步發(fā)電機空載時轉子軛部沒有或只有很低的切向永磁磁通密度，如圖1a所示，因此該發(fā)電機在不考慮機械因素時轉子軛部鐵心厚度可以很小（本樣機只有 6mm），同時導致了雙定子永磁同步發(fā)電機內(nèi)、外氣隙永磁磁通接近相同，即該發(fā)電機外氣隙磁通密度低于內(nèi)氣隙磁通密度，如圖1b所示。圖3為雙定子永磁同步發(fā)電機空載且轉子內(nèi)磁體代替為空氣時磁力線分布和外氣隙永磁磁通密度分布，圖4為雙定子永磁同步發(fā)電機空載且轉子外磁體代替為空氣時磁力線分布和內(nèi)氣隙永磁磁通密度分布。可以看出，在內(nèi)、外磁體單獨作用時，由于轉子軛部較小所導致的飽和，分別使內(nèi)、外氣隙永磁磁通密度低于共同作用時的內(nèi)外氣隙永磁磁通密度，這正是雙定子永磁同步發(fā)電機功率密度增加的原因所在。

圖4 雙定子永磁同步發(fā)電機空載且轉子外磁體變?yōu)榭諝鈺r的磁力線及磁通密度Fig.4 Field distribution when rotor outer magnet is replaced by air and when in no load

2.2 電樞反應計算

圖5為雙定子永磁同步發(fā)電機定子繞組通有直軸電流6A（去磁電流）時的磁力線分布、內(nèi)外氣隙磁通密度分布；圖6為雙定子永磁同步發(fā)電機定子繞組通有交軸電流 6A時的磁力線分布、內(nèi)外氣隙磁通密度分布?？梢钥闯?，雙定子永磁同步發(fā)電機電樞反應很低，對永磁體的工作點影響很小。

圖5 定子通有直軸6A去磁電流時雙定子永磁同步發(fā)電機磁場Fig.5 Field distribution when 6A pure d-axis demagnetizing current is flowing in staor winding

圖6 定子通有交軸電樞電流6A時電機磁場Fig.6 Field distribution when 6A q-axis current is flowing in staor winding

3 樣機實驗

圖7為樣機實物圖，圖8為額定轉速下，樣機的相電動勢波形及內(nèi)、外定子繞組的相電動勢波形。對比磁場的分析結果可以看出兩者相近，具有較好的相電動勢波形正弦性，且外定子相電動勢為160V左右，內(nèi)定子相電動勢80V左右，而整體發(fā)電機電動勢的有效值為 240V左右。由此可知，內(nèi)、外定子相電動勢代數(shù)和構成了整體發(fā)電機的相電動勢，說明樣機內(nèi)、外定子繞組的軸線及內(nèi)、外磁體軸線對齊?？紤]到空載時外定子相電動勢為160V左右，內(nèi)定子相電動勢80V左右，因此在不考慮散熱條件的前提下，雙定子永磁同步發(fā)電機的功率密度（功率/體積）比單一內(nèi)轉子永磁同步發(fā)電機（即雙定子永磁同步發(fā)電機的外電機）提高了50%。

圖7 雙定子永磁同步發(fā)電機樣機Fig.7 Dual-stator PMSG prototype

圖8 樣機電機的空載相電動勢Fig.8 Measured phase EMF waveform when the prototyped PMSG in no load

發(fā)電機帶電阻性負載，在 1500r/min轉速時做溫升、效率及電壓調整率試驗，試驗表明在5kW輸出功率時，發(fā)電機的溫升為60K。電壓調整率試驗曲線及效率曲線分別如圖9a、9b所示，可以看出，在電阻負載時額定電壓調整率為 6%左右，額定效率90%左右，且在很大負載范圍內(nèi)具有高的運行效率。

圖9 樣機電機負載試驗曲線Fig.9 Prototyped PMSG experimental result when in load

4 結論

本文基于本系列文章第 I篇中采用響應面法得到的雙定子永磁同步發(fā)電機方案，進行電磁場的有限元分析計算及樣機的試驗驗證，得到以下結論：

（1）可以基于內(nèi)轉子永磁同步發(fā)電機和外轉子永磁同步發(fā)電機的電磁設計程序，采用響應面法，進行雙定子永磁同步發(fā)電機的電磁設計。

（2）雙定子永磁同步發(fā)電機的電樞反應對永磁體工作點的影響很小，有利于該種電機磁體工作點的穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性。

（3）在不考慮散熱差異的前提下，雙定子永磁同步發(fā)電機的功率/體積密度比通常內(nèi)轉子永磁同步發(fā)電機提高50%。

（4）對本文給出的 5kW、380V的雙定子永磁同步發(fā)電機樣機，在電阻負載時，額定電壓調整率為6%，額定效率達90%，具有良好的性能。

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