徐衍亮 王雅玲 劉西泉

（1. 山東大學(xué)電氣工程學(xué)院 濟(jì)南 250061 2. 北京航空航天大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100083）

1 引言

雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)首先具有高效、高功率密度特點(diǎn)，同時(shí)其內(nèi)、外定子繞組的多種連接方式而具有的寬恒功率調(diào)速范圍（作為電動(dòng)機(jī)）及寬恒電壓輸出范圍（作為發(fā)電機(jī)），使其在串勵(lì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的起動(dòng)/發(fā)電機(jī)[1]、風(fēng)力發(fā)電機(jī)[2]中具有重要應(yīng)用價(jià)值。由于雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，盡管可以采用有限元方法對其進(jìn)行分析[2]，但無法采用現(xiàn)成的電磁設(shè)計(jì)程序進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)。本系列文章的第I部分采用響應(yīng)面法，基于組成雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)、外兩個(gè)永磁同步發(fā)電機(jī)的獨(dú)立設(shè)計(jì)，得到了雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，因此，本文首先通過對樣機(jī)設(shè)計(jì)方案的有限元分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證響應(yīng)面法在雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果。

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

2 樣機(jī)電機(jī)的有限元分析計(jì)算

樣機(jī)為三相、380V、5kW、1500r/min，采用4極電機(jī)結(jié)構(gòu)，由響應(yīng)面法得到的其他結(jié)構(gòu)尺寸及性能設(shè)計(jì)參數(shù)見本系列文章的第I篇。

2.1 空載計(jì)算

圖 1為雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)空載時(shí)磁場及氣隙磁通密度分布，圖2分別為額定轉(zhuǎn)速下外定子、內(nèi)定子及整體雙定子發(fā)電機(jī)的永磁相電動(dòng)勢波形?？梢钥闯觯M管氣隙磁通密度波形正弦性較差，但相電動(dòng)勢波形正弦性較好。響應(yīng)面法設(shè)計(jì)計(jì)算、有限元法及試驗(yàn)法（見后文）得到的雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)空載相電動(dòng)勢見下表?？梢钥闯?，三者基本相符，證明了響應(yīng)面法在雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)中設(shè)計(jì)的有效性。

圖1 空載時(shí)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(jī)空載時(shí)永磁相電動(dòng)勢Fig.2 Calculated phase EMF waveform when no load

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

雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，是通過響應(yīng)面法綜合了內(nèi)、外永磁同步發(fā)電機(jī)的單獨(dú)設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行內(nèi)、外永磁同步發(fā)電機(jī)的單獨(dú)設(shè)計(jì)時(shí)，首先保證轉(zhuǎn)子軛部對應(yīng)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(shí)現(xiàn)了雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)空載時(shí)轉(zhuǎn)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(jī)在不考慮機(jī)械因素時(shí)轉(zhuǎn)子軛部鐵心厚度可以很?。ū緲訖C(jī)只有 6mm），同時(shí)導(dǎo)致了雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)內(nèi)、外氣隙永磁磁通接近相同，即該發(fā)電機(jī)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(jī)空載且轉(zhuǎn)子內(nèi)磁體代替為空氣時(shí)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(jī)空載且轉(zhuǎn)子外磁體代替為空氣時(shí)磁力線分布和內(nèi)氣隙永磁磁通密度分布?？梢钥闯?，在內(nèi)、外磁體單獨(dú)作用時(shí)，由于轉(zhuǎn)子軛部較小所導(dǎo)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(shí)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(jī)功率密度增加的原因所在。

圖4 雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)空載且轉(zhuǎn)子外磁體變?yōu)榭諝鈺r(shí)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(yīng)計(jì)算

圖5為雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)定子繞組通有直軸電流6A（去磁電流）時(shí)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(jī)定子繞組通有交軸電流 6A時(shí)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(jī)電樞反應(yīng)很低，對永磁體的工作點(diǎn)影響很小。

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

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

圖7為樣機(jī)實(shí)物圖，圖8為額定轉(zhuǎn)速下，樣機(jī)的相電動(dòng)勢波形及內(nèi)、外定子繞組的相電動(dòng)勢波形。對比磁場的分析結(jié)果可以看出兩者相近，具有較好的相電動(dòng)勢波形正弦性，且外定子相電動(dòng)勢為160V左右，內(nèi)定子相電動(dòng)勢80V左右，而整體發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢的有效值為 240V左右。由此可知，內(nèi)、外定子相電動(dòng)勢代數(shù)和構(gòu)成了整體發(fā)電機(jī)的相電動(dòng)勢，說明樣機(jī)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(shí)外定子相電動(dòng)勢為160V左右，內(nèi)定子相電動(dòng)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(jī)的功率密度（功率/體積）比單一內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)（即雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)的外電機(jī)）提高了50%。

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

圖8 樣機(jī)電機(jī)的空載相電動(dòng)勢Fig.8 Measured phase EMF waveform when the prototyped PMSG in no load

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

圖9 樣機(jī)電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)曲線Fig.9 Prototyped PMSG experimental result when in load

4 結(jié)論

本文基于本系列文章第 I篇中采用響應(yīng)面法得到的雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)方案，進(jìn)行電磁場的有限元分析計(jì)算及樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）可以基于內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)和外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)程序，采用響應(yīng)面法，進(jìn)行雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。

（2）雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)對永磁體工作點(diǎn)的影響很小，有利于該種電機(jī)磁體工作點(diǎn)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(jī)的功率/體積密度比通常內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)提高50%。

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

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