李爭(zhēng) 杜磊 楊凱 劉令旗 董維超

摘 要：為了提高風(fēng)能利用率，解決現(xiàn)有開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的單一性問(wèn)題，提出一種新型可偏轉(zhuǎn)雙定子開(kāi)關(guān)磁阻式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。首先，基于電磁-固體力學(xué)模塊，建立定子結(jié)構(gòu)磁固耦合數(shù)值模型，對(duì)電磁場(chǎng)、磁通密度、磁致伸縮密度進(jìn)行了理論分析。其次，采用有限元平臺(tái)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了直觀建模，基于力學(xué)理論建立考慮磁致伸縮效應(yīng)的電磁-固體力學(xué)基本方程。最后，通過(guò)有限元法對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)、外雙定子以及轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)進(jìn)行磁固耦合仿真，得到應(yīng)力分布及對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位移。仿真結(jié)果表明：磁致伸縮效應(yīng)下的振動(dòng)位移屬納米級(jí)別且所受應(yīng)力較小，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行影響可忽略不計(jì)。磁固耦合的分析方法可為分析電機(jī)振動(dòng)、進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電機(jī)參數(shù)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：電磁固體力學(xué);磁固耦合;振動(dòng)位移;雙定子;磁致伸縮效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM352;O348.8?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-1542（2019）04-0325-08

開(kāi)關(guān)磁阻式風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)風(fēng)速低、輸出電能穩(wěn)定等特性，因此在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和較高的研究?jī)r(jià)值。雙定子結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)響應(yīng)快、可高精度定位、過(guò)載能力強(qiáng)，在發(fā)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和外界風(fēng)速一定的情況下，其工作效率可大大提高。同時(shí)，根據(jù)以往可偏轉(zhuǎn)多自由度電機(jī)[1-5]具有高效、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，提出了一種可偏轉(zhuǎn)雙定子開(kāi)關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)，其主要特征除了采用轉(zhuǎn)子雙側(cè)具有齒槽式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子和雙定子進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還利用轉(zhuǎn)子兩側(cè)連接的液壓控制臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，以適應(yīng)不同風(fēng)向，提高風(fēng)能利用率。

但隨著人民物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)低振動(dòng)噪聲電機(jī)的需求越來(lái)越高，嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲會(huì)浪費(fèi)能量，降低電機(jī)效率，阻礙其在一些場(chǎng)合的推廣。對(duì)于電機(jī)電磁振動(dòng)噪聲的研究起源于20世紀(jì)30年代，基本上都是從電磁力的角度進(jìn)行研究。1842年由英國(guó)學(xué)者JOULE[6]首先發(fā)現(xiàn)磁致伸縮效應(yīng)，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)場(chǎng)和電磁場(chǎng)之間，即：磁固耦合;文獻(xiàn)[7—8]指出磁致伸縮現(xiàn)象是磁性材料處于磁場(chǎng)中并被磁化時(shí)，沿其磁化方向出現(xiàn)的縮短及伸長(zhǎng)變化，表現(xiàn)為振動(dòng)效果;文獻(xiàn)[9—10]對(duì)電機(jī)的定子進(jìn)行了受力分析，建立了二維非線性穩(wěn)態(tài)有限元模型，分析了由磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致的電機(jī)定子形變;文獻(xiàn)[11—12]從磁固耦合角度對(duì)發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的振動(dòng)開(kāi)展了研究工作，取得了較系統(tǒng)的研究成果。文獻(xiàn)[13—14]得出磁致伸縮力是電機(jī)定子結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主要來(lái)源及振動(dòng)因素，并且對(duì)無(wú)取向硅鋼片在正弦及諧波激勵(lì)下的磁化和磁致伸縮特性曲線進(jìn)行了測(cè)量。因此，考慮磁致伸縮效應(yīng)可以使模型更加完善精確，便于對(duì)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上研究了可偏轉(zhuǎn)雙定子開(kāi)關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)力學(xué)和電磁場(chǎng)中的振動(dòng)問(wèn)題，利用comsol有限元軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，最后得出發(fā)電機(jī)的磁通密度、雙定子所受應(yīng)力及振動(dòng)位移等參數(shù)，其結(jié)果可為進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電機(jī)提供理論參考。

1?可偏轉(zhuǎn)雙定子開(kāi)關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制機(jī)理

1.1?發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1.2?發(fā)電機(jī)的控制機(jī)理

根據(jù)發(fā)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)，可將其近似看成由內(nèi)外兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組成，分別是外定子、內(nèi)轉(zhuǎn)子組成一臺(tái)內(nèi)轉(zhuǎn)子開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī);內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子組成一臺(tái)外轉(zhuǎn)子開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。由于該發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)為內(nèi)、外雙定子，所以須采用兩套外控電路來(lái)分別連接內(nèi)定子繞組（D，E，F(xiàn)）和外定子繞組（A，B，C）。該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁和發(fā)電續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換。如圖3所示為發(fā)電機(jī)控制電路，承擔(dān)著勵(lì)磁功率輸入與發(fā)電功率輸出的雙重任務(wù)，采用他勵(lì)工作模式確保能提供穩(wěn)定的勵(lì)磁電壓。其中勵(lì)磁電壓源Uc為100 V，二極管VD1，VD2，VD5，VD6，VD9，VD10確保勵(lì)磁階段電源向繞組供電，其余的二極管則為電感儲(chǔ)存能量向負(fù)載供電提供通道。S1—S6是6個(gè)導(dǎo)通開(kāi)關(guān)，由驅(qū)動(dòng)電路控制其導(dǎo)通順序。

規(guī)定逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)殡姍C(jī)旋轉(zhuǎn)正方向，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角為17.5°～27.5°，內(nèi)定子D相繞組導(dǎo)通;當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角為25°～35°，外定子B相繞組導(dǎo)通。本文選取轉(zhuǎn)子位置角為38°，此時(shí)轉(zhuǎn)子相對(duì)于外定子處于中間位置，即轉(zhuǎn)子齒極與外定子齒極有部分重合的時(shí)刻，內(nèi)定子的D相繞組與外定子的B相繞組處于同時(shí)發(fā)電狀態(tài)，其中，B相繞組發(fā)電電流為25 A，D相繞組發(fā)電電流為13 A。圖4所示為轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)38°時(shí)繞組發(fā)電時(shí)的結(jié)構(gòu)圖。

2?發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的磁固耦合數(shù)值模型

發(fā)電機(jī)B，D相繞組發(fā)電后，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生磁勢(shì)，進(jìn)而在定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極之間的氣隙建立電磁場(chǎng)，根據(jù)磁阻最小原理，定轉(zhuǎn)子氣隙間產(chǎn)生電磁力，其中徑向電磁力會(huì)引起定子系統(tǒng)的電磁振動(dòng)[15-19]，具體表現(xiàn)為定子系統(tǒng)受到應(yīng)力后會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)位移現(xiàn)象。本文建立了電磁-固體力學(xué)耦合數(shù)值模型，并利用有限元法對(duì)磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致的電機(jī)定子結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算與分析。

2.1?磁場(chǎng)分析

電機(jī)繞組的磁場(chǎng)方程如式（1）所示：

2.2?磁致伸縮應(yīng)力分析

使用彈性力學(xué)方法分析電機(jī)的振動(dòng)特性，利用達(dá)朗貝爾原理等效慣性力及阻尼力的結(jié)構(gòu)力學(xué)基本方程如式（2）所示：

磁致伸縮應(yīng)變可由磁感應(yīng)強(qiáng)度B與單值磁致伸縮特性曲線插值計(jì)算得出[20]。定轉(zhuǎn)子氣隙中的磁場(chǎng)是引起振動(dòng)的主要原因[21-22]。

線圈的氣隙磁通密度通過(guò)采用有限元法進(jìn)行分析和計(jì)算。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角位于圖4所示位置時(shí)，B，D相繞組同時(shí)發(fā)電，此時(shí)只分析內(nèi)定子所在的D相繞組發(fā)電情況，外定子原理與之相同，不做分析。圖6為繞組發(fā)電后得到的磁通密度分布圖，內(nèi)定子、轉(zhuǎn)子間氣隙磁通密度曲線圖如圖7所示。

觀察圖6和圖7可知，3D圖形與曲線相對(duì)應(yīng)。磁密最大值出現(xiàn)在發(fā)電繞組周?chē)?。定轉(zhuǎn)子處于中間位置時(shí)磁阻最小，磁力線最密集，磁通密度最大，約為0.32 T。其中，當(dāng)4個(gè)D相繞組同時(shí)發(fā)電時(shí)，繞組會(huì)在電流的作用下顯現(xiàn)磁性。從圖6中面上箭頭可知，相鄰繞組顯示不同磁性，磁通密度方向相反;相隔繞組顯示相同磁性，磁通密度方向相同。

圖8所示為外定子、轉(zhuǎn)子間氣隙磁通密度B沿空間角度θ，Φ變化的分布圖。其中氣隙磁通密度B隨θ角的變化周期為60°，在一個(gè)變化周期內(nèi)，B的變化曲線呈矩形分布，對(duì)應(yīng)于磁力線N極發(fā)出，流向同相相隔兩側(cè)的S極。磁通密度B沿Φ角的分布波形周期為360°，有2個(gè)波峰2個(gè)波谷，對(duì)應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒極與內(nèi)定子齒極部分重合，即內(nèi)定子4個(gè)D相繞組發(fā)電時(shí)，此時(shí)磁通密度最大值為0.32 T。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)磁密最大值及分布情況與圖6相一致，由于在電磁力激勵(lì)下電機(jī)模塊的振動(dòng)位移是電機(jī)機(jī)械變形的主要來(lái)源，這為下文研究由于電磁力導(dǎo)致的定子結(jié)構(gòu)振動(dòng)與位移奠定了良好基礎(chǔ)。

3?定子結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移與所受應(yīng)力分析

3.1?外定子分析

為了在有限元分析中得到定子系統(tǒng)所受應(yīng)力及振動(dòng)位移情況，對(duì)電磁場(chǎng)、磁致伸縮應(yīng)力、磁通密度進(jìn)行理論分析。

由于本發(fā)電機(jī)為可偏轉(zhuǎn)雙定子式結(jié)構(gòu)，本節(jié)先分析發(fā)電線圈對(duì)外定子結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響。其中，在有限元仿真中，將外定子與外定子殼表面的接觸部分設(shè)置為邊界條件，即固定約束，如圖2左側(cè)箭頭所示。當(dāng)外定子上的B相繞組發(fā)電后，發(fā)電機(jī)外定子結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力和所引起的振動(dòng)位移如圖9—圖11所示。圖10為外定子外徑所在位置的位移曲線，外定子結(jié)構(gòu)整體位移情況如圖11所示。

由圖9分析可知，外定子結(jié)構(gòu)上不同位置所受的應(yīng)力大小不同，主要集中分布在纏繞在定子齒上的4個(gè)B相發(fā)電繞組，所受最大應(yīng)力為1.5×104 N/m2。與定子齒相接觸的外定子軛部所受應(yīng)力相比較小。觀察圖10可知，發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的振動(dòng)位移主要集中在4個(gè)B相發(fā)電繞組周?chē)?，與定子結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力相對(duì)應(yīng)。顯示相同磁性的發(fā)電繞組的振動(dòng)位移相近，相差不到0.02 mm，最大位移僅為0.06 mm。

從圖11可以看出，發(fā)電繞組發(fā)電產(chǎn)生電磁場(chǎng)后，對(duì)外定子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)位移最大僅為0.12 mm，對(duì)發(fā)電機(jī)工作的影響可忽略不計(jì)。

3.2?內(nèi)定子分析

上節(jié)分析了發(fā)電線圈對(duì)外定子結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響。同理，將內(nèi)定子與內(nèi)定子軸接觸部分設(shè)為邊界條件，如圖2右側(cè)箭頭所示。此外，本發(fā)電機(jī)內(nèi)定子上共有12個(gè)內(nèi)定子齒，根據(jù)圖8分析可知，4個(gè)B相線圈發(fā)電后，對(duì)外定子結(jié)構(gòu)的影響只集中在與之接觸的外定子齒、外定子軛部，對(duì)相鄰的定子齒沒(méi)有影響。所以本節(jié)只分析內(nèi)定子齒上4個(gè)D相發(fā)電繞組的發(fā)電情況，其余8個(gè)內(nèi)定子齒及繞組由于不發(fā)電不做研究。發(fā)電機(jī)內(nèi)定子結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力和所引起的位移如圖12—15所示。

觀察圖12和圖13看出，所受應(yīng)力大的地方產(chǎn)生的振動(dòng)位移大，內(nèi)定子外徑的振動(dòng)位移主要集中在4個(gè)D相發(fā)電繞組四周。其中內(nèi)定子所受最大應(yīng)力為2.5×103 N/m2。由此導(dǎo)致的最大振動(dòng)位移約為0.016 mm。由于內(nèi)定子繞組發(fā)電電流為13 A，比外定子發(fā)電繞組所發(fā)電流小，所受最大應(yīng)力與振動(dòng)位移均比外定子的小，與實(shí)際情況相吻合。

如圖14所示為內(nèi)定子齒位移曲線圖，走勢(shì)呈左右對(duì)稱(chēng)，最大位移為0.106 mm。由于內(nèi)定子齒離發(fā)電繞組近，所以其振動(dòng)位移比圖13中內(nèi)定子外徑的振動(dòng)位移略大。內(nèi)定子整體在電磁力作用下壓縮或擴(kuò)張導(dǎo)致的最大位移為0.1 mm，對(duì)發(fā)電機(jī)的工作幾乎無(wú)影響。

分析圖15可知，顯示相同磁性的相隔發(fā)電繞組由于振動(dòng)位移情況相近，與實(shí)際相符，最大位移為0.1 mm。

3.3?內(nèi)、外雙定子分析

3.3.1?內(nèi)、外雙定子自轉(zhuǎn)分析

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞xy平面自轉(zhuǎn)到如圖4所示位置時(shí)，內(nèi)、外雙定子上相對(duì)應(yīng)的B，D繞組同時(shí)發(fā)電，交變的氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁力，鐵磁材料中的磁疇由雜亂無(wú)章變?yōu)檠刂帕€的方向壓縮或擴(kuò)張。內(nèi)、外雙定子結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子同時(shí)會(huì)受到應(yīng)力及產(chǎn)生振動(dòng)位移的影響。

當(dāng)B，D相繞組發(fā)電，定轉(zhuǎn)子氣隙間產(chǎn)生的電磁力波引起定子結(jié)構(gòu)振動(dòng)的同時(shí)，會(huì)對(duì)氣隙長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，即發(fā)生振動(dòng)位移。反之，定轉(zhuǎn)子間氣隙長(zhǎng)度的改變也會(huì)影響電磁力的大小。在磁場(chǎng)和振動(dòng)位移場(chǎng)的相互影響作用下，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)自轉(zhuǎn)時(shí)，其所受應(yīng)力較不考慮磁場(chǎng)、振動(dòng)位移場(chǎng)相互影響時(shí)小，約為2×103 N/m2。通過(guò)觀察圖16可知，在轉(zhuǎn)子齒和內(nèi)外定子齒部分重合區(qū)域，也存在受力情況。

3.3.2?內(nèi)、外雙定子偏轉(zhuǎn)分析

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以y方向?yàn)檩S，偏轉(zhuǎn)9°時(shí)，得到如圖16所示在偏轉(zhuǎn)情況下，內(nèi)、外雙定子所受應(yīng)力及轉(zhuǎn)子受應(yīng)力三維圖，如圖17所示。

當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在風(fēng)力場(chǎng)合時(shí)，外界風(fēng)迫使液壓控制臺(tái)升降，與之相連的轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。此時(shí)研究繞y軸偏轉(zhuǎn)9°時(shí)的工況，內(nèi)、外定子齒與轉(zhuǎn)子齒處于部分重合狀態(tài)，致使接觸面積不同，B，D相8個(gè)繞組發(fā)電電流也出現(xiàn)變化;另外磁致伸縮的大小不僅與定子結(jié)構(gòu)所處的磁場(chǎng)大小有關(guān)，還與磁場(chǎng)的方向有關(guān)，不同電流產(chǎn)生不同的交變氣隙磁場(chǎng)，致使偏轉(zhuǎn)時(shí)所受最大應(yīng)力如圖17所示為1.8 N/m2，低于自轉(zhuǎn)時(shí)所受應(yīng)力。

4?結(jié)?論

本文提出的新型可偏轉(zhuǎn)雙定子開(kāi)關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)，采用內(nèi)、外雙定子，利用液壓升降臺(tái)控制轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)多自由度偏轉(zhuǎn)，可滿足不同風(fēng)向的要求。

基于電磁-固體力學(xué)模塊，通過(guò)建立定子結(jié)構(gòu)磁固耦合數(shù)值模型，對(duì)磁場(chǎng)、磁通密度、磁致伸縮應(yīng)力進(jìn)行理論分析，采用有限元平臺(tái)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了直觀建模，系統(tǒng)闡述了基于磁致伸縮效應(yīng)下的定子系統(tǒng)所受應(yīng)力，并計(jì)算了內(nèi)、外雙定子、內(nèi)定子齒的振動(dòng)情況，且均屬于納米級(jí)位移。其中定子結(jié)構(gòu)中的定子軛部與定子齒所受應(yīng)力較大，因此，對(duì)于電機(jī)的設(shè)計(jì)，應(yīng)增加材料的強(qiáng)度，才有利于提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性及降低振動(dòng)噪聲，計(jì)算和分析的結(jié)果可為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

未來(lái)還需完善可偏轉(zhuǎn)雙定子開(kāi)關(guān)磁阻式風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的振動(dòng)研究，并將繼續(xù)對(duì)影響發(fā)電機(jī)振動(dòng)的溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究，以達(dá)到降低噪聲、優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)的目的。

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