(哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

永磁電機近年來得到了相當廣泛的研究及應用，但因其氣隙磁場難以調節(jié)，用作發(fā)電機時隨著負載的變化其輸出電壓隨之變化，不能實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。為使永磁電機具備一定的電壓調節(jié)能力，各國學者相繼提出了不同結構的、永磁電機與電勵磁電機相結合的混合勵磁電機[1～5]。由于混合勵磁電機兼具了永磁電機高效率、高功率密度的優(yōu)點及電勵磁電機電壓調節(jié)的能力，在新能源領域及艦船、航空等場合得到了廣泛關注。

文獻[6]提出了一種halbach永磁轉子與隱極電勵磁轉子同軸排布的并列轉子混合勵磁發(fā)電機，其定子繞組為十二相，負載為四個三相整流橋并聯(lián)而成的多重整流系統(tǒng)。為分析該電機可能存在的振動及噪聲源，獲得準確的定子固有頻率是非常重要的。本文以該混合勵磁發(fā)電機定子為研究對象，基于3D有限元法對定子固有頻率進行了仿真分析，并針對樣機的定子進行了模態(tài)試驗研究，以驗證仿真結果的正確性。

1 電機結構與參數(shù)

本文定子模態(tài)仿真及試驗研究所涉及到的混合勵磁發(fā)電機定子視圖如圖1所示，該電機的主要參數(shù)如表1所示。該電機的定子沖片軛部開有4個軸向通風道，用于將轉子產(chǎn)生的熱量與定子水冷機殼進行熱交換。定子鐵心采用扣片來保證疊片的壓緊力，兩端則采用定子鐵心壓圈來固定其在機殼中的裝配位置。

圖1混合勵磁發(fā)電機定子視圖

表1電機主要參數(shù)

參數(shù)參數(shù)值功率(kW)100額定轉速(rpm)12000直流輸出電壓(V)500機殼外徑(mm)346定子內徑(mm)168機殼軸向長度(mm)580槽數(shù)48相數(shù)12極數(shù)4負載類型4個三相整流橋并聯(lián)

2 定子模態(tài)仿真

由于本文中定子鐵心沖片較為特殊，其軛部僅有4個扇形面與定子機殼內圓緊配合，并且底座支架焊接在機殼外圓上，采用解析方法難以準確計算定子固有頻率。因此，本文采用Ansys workbench平臺導入定子機殼的三維模型，將繞組作為附加質量計入定子鐵心，從而完成該電機的定子固有頻率計算。

電機定子沖片厚度為0.35mm，根據(jù)文獻[7]研究結果將其彈性模量取為150GPa，機殼材料為Q345，彈性模量取為200GPa。計算過程中對電機底腳平面進行約束，模態(tài)數(shù)設置為14階，各模態(tài)的固有頻率計算結果如表2所示。圖2、圖3、圖4、圖5分別給出固有頻率為405.05Hz、700.6Hz、1681Hz、2046.2Hz的振型仿真結果。

表2 固有頻率計算結果

圖2仿真405.05Hz振型

圖3仿真700.6Hz振型

圖4仿真1681Hz振型

圖5仿真2046.2Hz振型

3 定子固有頻率試驗

3.1 測試方法

采用錘擊法對混合勵磁電機定子進行了固有頻率測試，試驗時電機固定在工作臺上，如圖6所示。測試時分別在出線端、軸向中間位置、傳動端的圓周上，選取8個不同的錘擊點，加速度傳感器位于被測圓周的頂部。激振器、加速度傳感器均為美國PCB公司生產(chǎn)，信號分析儀為美國LDS公司生產(chǎn)。

圖6電機定子模態(tài)試驗

3.2 測量結果

為準確測量混合勵磁電機的定子固有頻率，每個被測圓周的8個被測點都分為兩個頻率范圍進行測量，即低頻范圍0～1124Hz和高頻范圍0～2635Hz。兩種頻率測量范圍下，出線端、中間位置、傳動端的固有頻率及相干函數(shù)分別如圖7、圖8所示。

圖7固有頻率在0～1124Hz范圍測量結果

圖8固有頻率在0～2635Hz范圍測量結果

3.3 仿真及試驗結果比較

選擇固有頻率試驗中加速度峰值較大且相干函數(shù)值接近于1的幾個頻率，將其與仿真計算結果相比較，如表3所示。表3中除第一行和最后一行之外，均以中間位置的固有頻率測量值為基準，給出計算值與測量值之間的誤差。

表3 固有頻率的仿真及試驗結果比較

從表3的比較結果可以看出，固有頻率的計算值與測量值總體上較為接近，低頻時誤差較大，高頻時誤差較小，最大誤差不超過17%。從仿真結果來看，1681Hz及以上的振型均為為3階，其余為橢圓振型。此外，從實測結果可以看出，頻率為1774Hz的振動幅值較大，在不同的被測圓周上均可測出，如果有頻率和振型與之相近的激振力，則會導致較大的振動和噪聲。

4 結語

本文針對一臺十二相并列轉子混合勵磁發(fā)電機的定子進行了模態(tài)仿真與試驗研究，分析結果表明：對于特殊定子結構，采用有限元法能夠準確地計算定子固有頻率，定子固有頻率的計算結果與測量結果較為接近，可為該電機的振動和噪聲源分析提供重要參考。