110kW電勵磁雙凸極電機計算與分析

陳虎威　袁留民

摘要：雙凸極電機是一種新型無刷直流電機，按勵磁方式主要分為永磁、電勵磁、混合勵磁雙凸極電機等。雙凸極電機作為一種低成本、高可靠性的電機，具有良好的電氣特性，正在受到廣泛的關(guān)注。文章對110kW雙凸極電機進行介紹，有限元分析計算電機運行時磁場、功率、電機鐵耗等數(shù)據(jù)，并根據(jù)仿真計算結(jié)果來對設(shè)計和生產(chǎn)起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：電勵磁；雙凸極電機；有限元分析；電機功率；鐵耗

中圖分類號：TM359 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）14-0055-03

1 概述

雙凸極（DSEM）是在開關(guān)磁阻電機基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，是一種新型無刷電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、繞組電流可雙極性控制等優(yōu)點。轉(zhuǎn)子上沒有繞組和磁鋼，結(jié)構(gòu)簡單、堅韌可靠，可應(yīng)用于航空航天、風力發(fā)電等場合，以此受到國內(nèi)外學者的關(guān)注。

傳統(tǒng)的雙凸極電機研究大都集中在三相結(jié)構(gòu)如6/4、12/8等結(jié)構(gòu)，而針對四相以及多相結(jié)構(gòu)的雙凸極電機的研究尚處于起步階段。東南大學的程明等學者針對8/6結(jié)構(gòu)雙凸極電機（“8/6極雙凸極電機的轉(zhuǎn)矩脈動減小方法及其8/6極雙凸極電機”，中國發(fā)明專利：ZL200410014568.5）提出了一種減小轉(zhuǎn)矩脈動的控制方案，但是目前專門針對四相雙凸極電機的研究文獻及成果較少。

本文以48/36極110kW額定轉(zhuǎn)速為110r/min雙凸極電機作為研究對象，對新型的DSEM的電磁特性、功率進行了理論分析和試驗對比，以便為該電機的設(shè)計和生產(chǎn)提供

參考。

2 電機結(jié)構(gòu)

48/36極110kW雙凸極電機結(jié)構(gòu)如圖1所示，定轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子槽里面裝有電樞繞組和勵磁繞組，轉(zhuǎn)子上面沒有繞組。文章針對該發(fā)電機空載和負載情況進行了計算和分析。

3 磁感應(yīng)變化

雙凸極發(fā)電機空載情況下，各部分磁場密度隨時間變化而變化，采用有限元分析軟件進行分析計算，得到如圖2所示圖片：

從圖2知道，在勵磁電流為35A時，電機內(nèi)部磁密已達到最大值，即磁飽和狀態(tài)。

4 負載仿真計算和分析

負載情況下，計算分析得到的數(shù)據(jù)，如下表2和圖3

所示：

綜上所述可知，當勵磁電流達到45A時，電機的運行數(shù)據(jù)結(jié)果已達到趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 電機鐵耗計算和分析

雙凸極電機外電源供電運行情況下，電頻率的增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的增加，隨之鐵心內(nèi)部的磁場變化也較大，導(dǎo)致鐵耗較大，增大了它在總損耗中的百分比，因此分析鐵耗同樣值得關(guān)注。

本文中主要是分析各部位磁密，得到材料在不同頻率下的損耗曲線之后，將其導(dǎo)入有限元軟件中，采用有限元分析法對電機鐵耗進行估算。

根據(jù)文獻，推導(dǎo)公式，得到新的計算公式即單位損耗為單位磁滯損耗和單位渦流損耗之和，數(shù)學表達式如下

所示：

采用上述計算公式，由于電機額定轉(zhuǎn)速為110r/min，給出40Hz下材料B-P曲線，如下圖5所示。然后將上述所得的B-P曲線輸入到電機仿真模型中，仿真過程會對電機每個單元進行鐵損進行計算，然后進行相加，最后得到電機總的鐵損數(shù)值。仿真計算結(jié)果如后面實例計算表格中得到的數(shù)值。

6 試驗研究分析

以一臺110kW極數(shù)48/36額定轉(zhuǎn)速110r/min雙凸極電機為例，進行負載測試和鐵耗測試。下圖6為生產(chǎn)的樣機。

雙凸極電機負載狀況下，通過測試儀器，得到的實驗數(shù)據(jù)。其中測得的鐵耗為已經(jīng)除去了風阻損耗、銅耗與附加損耗的結(jié)果。將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行了對比，如表4和表5所示：

從表4和表5中可以看出，仿真數(shù)值比實驗結(jié)果小，存在的誤差大小在接受的范圍內(nèi)。這是由于得到的BP曲線存在一定誤差，特別是當磁密變大時，誤差也變大。

7 結(jié)語

本文中利用有限元分析軟件，建立電機合理的有效模型、電路模型，并根據(jù)公式得到電機在一定頻率下的B-P曲線，再將曲線導(dǎo)入軟件中進行計算，計算過程中充分考慮了電機各部分的磁密分布，計算了負載消耗功率和每一個單元的損耗，然后以此為基礎(chǔ)，最終計算出電機的鐵心損耗。在計算結(jié)果中，由于外界有關(guān)因素的限制，導(dǎo)致測得的結(jié)果存在一定的不確定性，而計算機仿真為理想條件，所以二者結(jié)果存在一定的誤差，經(jīng)過比較對比誤差在可接受范圍內(nèi)，證明了此方法來計算電機的負載功率和鐵耗可行性。

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（責任編輯：秦遜玉）