110kW電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)計(jì)算與分析

陳虎威　袁留民

摘要：雙凸極電機(jī)是一種新型無刷直流電機(jī)，按勵(lì)磁方式主要分為永磁、電勵(lì)磁、混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)等。雙凸極電機(jī)作為一種低成本、高可靠性的電機(jī)，具有良好的電氣特性，正在受到廣泛的關(guān)注。文章對(duì)110kW雙凸極電機(jī)進(jìn)行介紹，有限元分析計(jì)算電機(jī)運(yùn)行時(shí)磁場、功率、電機(jī)鐵耗等數(shù)據(jù)，并根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果來對(duì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：電勵(lì)磁；雙凸極電機(jī)；有限元分析；電機(jī)功率；鐵耗

中圖分類號(hào)：TM359 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）14-0055-03

1 概述

雙凸極（DSEM）是在開關(guān)磁阻電機(jī)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，是一種新型無刷電機(jī)，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(diǎn)。轉(zhuǎn)子上沒有繞組和磁鋼，結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)韌可靠，可應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電等場合，以此受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

傳統(tǒng)的雙凸極電機(jī)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(duì)四相以及多相結(jié)構(gòu)的雙凸極電機(jī)的研究尚處于起步階段。東南大學(xué)的程明等學(xué)者針對(duì)8/6結(jié)構(gòu)雙凸極電機(jī)（“8/6極雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小方法及其8/6極雙凸極電機(jī)”，中國發(fā)明專利：ZL200410014568.5）提出了一種減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制方案，但是目前專門針對(duì)四相雙凸極電機(jī)的研究文獻(xiàn)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(jī)作為研究對(duì)象，對(duì)新型的DSEM的電磁特性、功率進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)對(duì)比，以便為該電機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供

參考。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)

48/36極110kW雙凸極電機(jī)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(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子上面沒有繞組。文章針對(duì)該發(fā)電機(jī)空載和負(fù)載情況進(jìn)行了計(jì)算和分析。

3 磁感應(yīng)變化

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

從圖2知道，在勵(lì)磁電流為35A時(shí)，電機(jī)內(nèi)部磁密已達(dá)到最大值，即磁飽和狀態(tài)。

4 負(fù)載仿真計(jì)算和分析

負(fù)載情況下，計(jì)算分析得到的數(shù)據(jù)，如下表2和圖3

所示：

并且，根據(jù)有限元分析軟件Ansoft還得到如下表3和圖4所示：

綜上所述可知，當(dāng)勵(lì)磁電流達(dá)到45A時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果已達(dá)到趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 電機(jī)鐵耗計(jì)算和分析

雙凸極電機(jī)外電源供電運(yùn)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(duì)電機(jī)鐵耗進(jìn)行估算。

根據(jù)文獻(xiàn)，推導(dǎo)公式，得到新的計(jì)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(xué)表達(dá)式如下

所示：

P=Pr+P'Φ=σrfB2+σΦ（?fB）2

式中：

σr——鋼片損耗常數(shù)

ρ——材料的電阻率

γ——密度

采用上述計(jì)算公式，由于電機(jī)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(jī)仿真模型中，仿真過程會(huì)對(duì)電機(jī)每個(gè)單元進(jìn)行鐵損進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行相加，最后得到電機(jī)總的鐵損數(shù)值。仿真計(jì)算結(jié)果如后面實(shí)例計(jì)算表格中得到的數(shù)值。

圖5 B-P曲線

6 試驗(yàn)研究分析

以一臺(tái)110kW極數(shù)48/36額定轉(zhuǎn)速110r/min雙凸極電機(jī)為例，進(jìn)行負(fù)載測(cè)試和鐵耗測(cè)試。下圖6為生產(chǎn)的樣機(jī)。

圖6 110kW電勵(lì)磁雙凸極測(cè)試樣機(jī)

雙凸極電機(jī)負(fù)載狀況下，通過測(cè)試儀器，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中測(cè)得的鐵耗為已經(jīng)除去了風(fēng)阻損耗、銅耗與附加損耗的結(jié)果。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(shí)驗(yàn)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(dāng)磁密變大時(shí)，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(jī)合理的有效模型、電路模型，并根據(jù)公式得到電機(jī)在一定頻率下的B-P曲線，再將曲線導(dǎo)入軟件中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程中充分考慮了電機(jī)各部分的磁密分布，計(jì)算了負(fù)載消耗功率和每一個(gè)單元的損耗，然后以此為基礎(chǔ)，最終計(jì)算出電機(jī)的鐵心損耗。在計(jì)算結(jié)果中，由于外界有關(guān)因素的限制，導(dǎo)致測(cè)得的結(jié)果存在一定的不確定性，而計(jì)算機(jī)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(duì)比誤差在可接受范圍內(nèi)，證明了此方法來計(jì)算電機(jī)的負(fù)載功率和鐵耗可行性。

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）