蔣思遠(yuǎn)，周 波，王開淼，馮小寶

（江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南京航空航天大學(xué)），南京210016）

多電飛機(jī)是當(dāng)前航空技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，為解決多電飛機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)功率的巨大需求，新型航空發(fā)電機(jī)技術(shù)受到了廣泛關(guān)注[1-4]。 電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)DSEG（doubly salient electro-magnetic generator）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)永磁體和高溫高速運(yùn)行能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且勵(lì)磁可調(diào)，故障時(shí)易于滅磁，尤其是發(fā)電運(yùn)行中無(wú)需位置傳感器，電壓控制方便，發(fā)電可靠性高[5-8]，因此DSEG 可構(gòu)成一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦秃娇针娫聪到y(tǒng)。航空應(yīng)用環(huán)境對(duì)溫度適應(yīng)性要求高，大溫差的環(huán)境溫度將引起電機(jī)材料的導(dǎo)電導(dǎo)磁性能發(fā)生改變，對(duì)電機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行性能產(chǎn)生較大影響,因此研究環(huán)境溫度變化對(duì)DSEG 輸出特性的影響十分必要。電機(jī)的溫度特性分析研究涉及材料科學(xué)、熱科學(xué)和電磁學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，本文主要對(duì)DSEG 不同溫度下的電磁特性進(jìn)行分析。

溫度對(duì)電機(jī)材料的影響主要包括對(duì)永磁體剩磁及退磁的影響、對(duì)銅導(dǎo)線電阻的影響、對(duì)鐵心磁導(dǎo)率的影響、對(duì)軸承潤(rùn)滑脂及絕緣材料的影響等[9-16]。 溫度對(duì)電機(jī)電磁性能影響的研究，目前主要集中在異步電機(jī)和永磁電機(jī)的研究上。 異步電機(jī)方面，文獻(xiàn)[17]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，分析了高溫下電阻變化對(duì)高頻異步電動(dòng)機(jī)性能的影響，為高溫異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考；文獻(xiàn)[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析對(duì)高環(huán)境溫度下感應(yīng)電機(jī)的鐵損特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明鐵損隨著溫度的升高而降低，文中還對(duì)環(huán)境溫度變化時(shí)電機(jī)鐵心齒部磁密進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)齒部磁密幾乎是恒定值，與DSEG 磁路局部飽和嚴(yán)重的情況差異較大。 永磁電機(jī)方面，文獻(xiàn)[19]對(duì)一種可在-60～300 °C 的寬溫度范圍內(nèi)使用的永磁同步電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能分析，研究了溫度變化對(duì)剩余磁通密度、銅損、鐵損和風(fēng)阻損耗等的影響，并對(duì)電機(jī)在不同溫度下進(jìn)行了效率計(jì)算；文獻(xiàn)[20-22]研究了低溫對(duì)增程式電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)性能的影響，并建立了測(cè)試平臺(tái)， 研究?jī)?nèi)容包括電機(jī)起動(dòng)性能、運(yùn)行效率及高低溫環(huán)境下的負(fù)載能力等。

文獻(xiàn)[17-22]仿真和數(shù)值分析電機(jī)溫度特性時(shí)忽略了鐵心材料性能隨溫度的改變，但與之不同的是，DSEG 由于雙凸極結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)非線性嚴(yán)重，局部磁路嚴(yán)重飽和，不同溫度下鐵磁材料特性的變化將引起電機(jī)參數(shù)明顯變化，故需要考慮鐵心材料對(duì)電機(jī)性能的影響。DSEG 通過(guò)引入勵(lì)磁繞組實(shí)現(xiàn)他勵(lì)，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍大，寬轉(zhuǎn)速范圍發(fā)電運(yùn)行對(duì)DSEG 勵(lì)磁機(jī)構(gòu)要求較高，環(huán)境溫度的升高也使勵(lì)磁繞組電阻增大，進(jìn)一步增大勵(lì)磁損耗，帶來(lái)額外的勵(lì)磁負(fù)擔(dān)，故DSEG 溫度特性分析還需考慮溫度對(duì)勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的影響。目前針對(duì)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的溫度場(chǎng)分布的文獻(xiàn)尚比較少見(jiàn)，文獻(xiàn)[23]對(duì)一臺(tái)18/12 極DSEG 進(jìn)行了定子軛高優(yōu)化， 建立優(yōu)化尺寸后的電機(jī)三維熱有限元模型， 分析了所提DSEG的溫度場(chǎng)分布情況，以保證在安全范圍內(nèi)的最大溫升， 研制了全封閉自冷樣機(jī)DSEG 并進(jìn)行了測(cè)試。而專門針對(duì)DSEG 不同環(huán)境溫度下的電機(jī)特性分析尚未檢索到相關(guān)文獻(xiàn)，缺乏具體的性能分析方面的深入研究，使得航空應(yīng)用環(huán)境下DSEG 的設(shè)計(jì)和應(yīng)用受到了一定的限制。

為充分發(fā)揮DSEG 高溫運(yùn)行能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)環(huán)境溫度改變時(shí)的DSEG 發(fā)電性能進(jìn)行研究。采用等效磁路法和有限元法，結(jié)合不同溫度下的鐵心材料磁導(dǎo)率曲線，考慮DSEG 不同位置時(shí)的磁路飽和程度，指出電機(jī)磁場(chǎng)和繞組電感隨溫度的變化規(guī)律； 對(duì)不同溫度下電機(jī)的負(fù)載特性進(jìn)行分析；將不同溫度下的鐵心材料和繞組銅材進(jìn)行組合，通過(guò)有限元建模，研究了溫升導(dǎo)致的電樞繞組電阻變化和鐵心磁阻的變化單一變量對(duì)電機(jī)外特性的影響規(guī)律；最后進(jìn)行了電機(jī)溫度特性實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證分析和仿真的正確性。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用直流電源靜止熱實(shí)驗(yàn)的方式加熱樣機(jī)，使仿真與實(shí)驗(yàn)溫度更為接近。 通過(guò)磁路計(jì)算、仿真分析和實(shí)驗(yàn)的方法確保結(jié)論的有效性， 填補(bǔ)了DSEG 溫度特性分析方面的不足，為航空應(yīng)用環(huán)境下DSEG 的使用和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考。

1 DSEG 結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 為12/8 極DSEG 結(jié)構(gòu)，定、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組與永磁體，通過(guò)定子上的勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁。 DSEG 發(fā)電運(yùn)行時(shí)， 三相繞組通常外接三相全橋整流電路，如圖2 所示。

理想化DSEG 輸出電壓模型多忽略繞組電阻，但本文對(duì)不同環(huán)境溫度下DSEG 的發(fā)電特性進(jìn)行研究，其電阻電感均受溫度影響較大，需考慮鐵心磁導(dǎo)率和繞組電阻率隨溫度的變化。電機(jī)的工作環(huán)境溫度相對(duì)繞組導(dǎo)體銅材料本身而言仍然屬于低溫段，一般認(rèn)為在電機(jī)工作溫度下，銅材料的電阻隨溫度變化近似存在著線性關(guān)系，故考慮溫度變化的DSEG 電壓方程為

式中：rj和rj0分別為溫度t 及標(biāo)準(zhǔn)溫度t0下的電阻，其中，j 為三相繞組和勵(lì)磁繞組j=a,b,c 和f；α 為材料在標(biāo)準(zhǔn)溫度下的電阻率溫度系數(shù)，材料銅[6]取為0.003 93 ℃-1；ψa、ψb、ψc和ψf分別為三相繞組和勵(lì)磁繞組磁鏈；ia、ib、ic和if分別為三相繞組和勵(lì)磁繞組電流。

圖1 12/8 極DSEG 結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of 12/8-pole DSEG

圖2 DSEG 功率電路Fig. 2 DSEG power circuit

DSEG 發(fā)電運(yùn)行時(shí)， 相繞組電阻隨溫度增加而增加，將使其輸出電壓降低；而勵(lì)磁繞組電阻的增大，使得相同的勵(lì)磁電流下需要更高的電壓。 鐵心材料導(dǎo)磁性能隨溫度的變化將使各繞組磁鏈發(fā)生變化，進(jìn)而影響DSEG 輸出特性，。

2 考慮溫度影響的電機(jī)磁路模型

以A 相為例，傳統(tǒng)三相12/8 極結(jié)構(gòu)的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)典型位置的磁力線分布和等效磁路如圖3所示。圖中Ff和Fp分別為勵(lì)磁繞組和p（p=a，b，c）相電樞繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)，Rsy1和Rsy2為定子軛部磁阻，Rry為轉(zhuǎn)子軛部磁阻，Rsp和Rrp分別為定子和轉(zhuǎn)子齒部磁阻。 Rg和Rsl分別為氣隙磁阻和漏磁阻，各部位的磁阻計(jì)算公式如表1 所示。

表1 中：g 為氣隙長(zhǎng)度；μFe為鐵心材料磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率；各處的磁路長(zhǎng)度l 和截面積S 的下標(biāo)采用和磁阻R 相同的表示方式，另外引入磁導(dǎo)率溫度系數(shù)kT來(lái)描述溫度對(duì)鐵心磁阻的影響。

圖3 典型位置的磁力線分布和等效磁路Fig. 3 Magnetic field distribution and equivalent magnetic circuit at typical locations

表1 磁阻計(jì)算Tab. 1 Calculation of magnetic resistance

由于雙凸極電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心和開關(guān)磁阻電機(jī)類似， 故借鑒開關(guān)磁阻電機(jī)氣隙截面積的計(jì)算公式， 考慮邊緣效應(yīng)， DSEM 中一個(gè)定子極氣隙截面積[24]Sg可取為

式中：βs和βr分別為定子極和轉(zhuǎn)子極對(duì)應(yīng)的機(jī)械角；D 為氣隙直徑；lFe為鐵心軸向長(zhǎng)度。

同樣，以A 相為例，對(duì)三相DSEG 典型位置的主磁路進(jìn)行分析，如圖3 中粗線所示。 忽略漏磁，空載時(shí)，F(xiàn)A=FB=FC=0，根據(jù)安培環(huán)路定理，在圖3（a）顯示了A 相轉(zhuǎn)子極滑入時(shí)刻的磁路模型，勵(lì)磁磁勢(shì)Ff為

式中：Nf和if分別為勵(lì)磁繞組的匝數(shù)和電流；ψA為A 相主磁通。

圖3（b）顯示了A 相定、轉(zhuǎn)子極對(duì)齊時(shí)刻的磁路模型，勵(lì)磁磁勢(shì)Ff為

文獻(xiàn)[9]對(duì)不同溫度下無(wú)取向電工鋼進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其相對(duì)磁導(dǎo)率曲線如圖4 所示，可見(jiàn)，溫度對(duì)低磁感應(yīng)強(qiáng)度下和磁飽和情況下的硅鋼片磁導(dǎo)率幾乎沒(méi)有影響，對(duì)中等磁感應(yīng)強(qiáng)度下的硅鋼片磁導(dǎo)率，隨著溫度的上升，磁導(dǎo)率下降。故在分析溫度影響的電機(jī)磁路模型時(shí)，需要結(jié)合電機(jī)鐵心中的磁密分布進(jìn)行分析。

圖4 溫度對(duì)相對(duì)磁導(dǎo)率的影響Fig. 4 Effect of temperature on relative permeability

DSEG 電樞繞組磁鏈周期性變化產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，磁鏈的最大值和最小值直接影響其輸出功率的大小。在A 相轉(zhuǎn)子極滑入和滑出時(shí)刻（如圖3（a）、（c）所示），定、轉(zhuǎn)子齒部均會(huì)局部飽和的情況。 所以轉(zhuǎn)子極開始滑入定子極階段，溫度上升時(shí)，極部的磁飽和處磁導(dǎo)率幾乎不變，可認(rèn)為kT≈1；隨著定、轉(zhuǎn)子極正對(duì)面積的增加， 鐵心的磁密飽和程度降低，此時(shí)可認(rèn)為kT<1，且越來(lái)越小，這意味著磁導(dǎo)率下降，磁路磁阻增大，故溫度對(duì)各相磁鏈影響最大的位置為定轉(zhuǎn)子極正對(duì)位置（如圖3（b）所示）。 滑出時(shí)的情況和滑入時(shí)類似，不再贅述。 由電感公式L=Nψ/i可知，溫度引起各相磁阻的改變也會(huì)使得各相電感受到影響，影響最大的位置會(huì)出現(xiàn)在定轉(zhuǎn)子極對(duì)齊位置。此外，軟磁材料種類繁多，目前對(duì)磁性材料性能參數(shù)隨溫度變化規(guī)律認(rèn)識(shí)的不足，使得材料具體溫度的各項(xiàng)性能參數(shù)確定存在較大困難，雖然引入溫度磁導(dǎo)率溫度系數(shù)kT可描述溫度對(duì)鐵芯磁阻的影響， 但由于該系數(shù)的非線性和不同材料的差異性，使得難以定量分析。 下節(jié)將采用有限元法進(jìn)行仿真計(jì)算，充分考慮不同溫度下軟磁材料性能的變化對(duì)電機(jī)性能的影響。

3 電機(jī)溫度特性仿真分析

表2 為12/8 極DSEG 的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行有限元建模，并將不同溫度下硅鋼片的導(dǎo)磁性能和繞組銅材的導(dǎo)電參數(shù)代入有限元軟件進(jìn)行分析和求解，研究DSEG 的溫度特性，有限元計(jì)算模型如圖5 所示。

本文在進(jìn)行DSEG 發(fā)電性能的仿真計(jì)算時(shí)，主要考慮溫升對(duì)電機(jī)電磁性能的影響，假設(shè)條件如下：

（1）電機(jī)在本文涉及的溫度條件下，各部分絕緣和潤(rùn)滑條件良好，能夠正常穩(wěn)定工作；

（2）電機(jī)材料的受熱膨脹影響忽略不計(jì)，各部件在不同溫度下不發(fā)生形變；

（3）電機(jī)機(jī)械及雜散損耗與常規(guī)溫度下額定工作時(shí)相同；

（4）電機(jī)在高溫環(huán)境下是一個(gè)等溫體，各部分溫度相同且為環(huán)境溫度。

表2 電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 2 Main structural parameters of DSEG

圖5 DSEG 有限元模型Fig. 5 Finite element model of DSEG

3.1 靜磁場(chǎng)與電感特性分析

勵(lì)磁電流為5 A 時(shí)，不同溫度下的DSEG 相自感曲線及相繞組與勵(lì)磁繞組互感曲線如圖6 所示，由于二者變化趨勢(shì)幾乎一致，以相自感曲線為例進(jìn)行分析，可以看出，溫度的變化對(duì)自感的最小值幾乎沒(méi)有影響，對(duì)最大值影響較為明顯，且隨著溫度的升高，最大值逐漸減小。由磁路分析可知，從轉(zhuǎn)子極開始滑入到定轉(zhuǎn)子極對(duì)齊的過(guò)程中，溫度的升高將導(dǎo)致磁路磁阻逐漸增大， 故自感隨之逐漸減小，且隨著定轉(zhuǎn)子正對(duì)面積的增加該差異趨于明顯，仿真結(jié)果與磁路分析的結(jié)論一致。

3.2 不同溫度下DSEG 負(fù)載特性分析

圖7 是電機(jī)勵(lì)磁電流5 A、轉(zhuǎn)速1 000 r/min 時(shí)，不同溫度下的輸出電壓和輸出功率，可以看出，隨著溫度的上升，輸出電壓曲線下移，輸出功率降低。 一方面由于溫度升高導(dǎo)致電樞繞組電阻增大， 相當(dāng)于增加了發(fā)電機(jī)內(nèi)阻，影響發(fā)電機(jī)功率輸出；另一方面由于溫度升高，鐵心磁阻發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)自感、互感減小，引起電壓降低。

圖7 不同溫度下的輸出電壓和輸出功率Fig. 7 Output voltage and output power at different temperatures

為分析溫升導(dǎo)致的電樞繞組電阻變化和鐵心磁阻的變化對(duì)電機(jī)外特性的影響，以20 ℃和200 ℃的模型為基準(zhǔn)，將20 ℃和200 ℃鐵心材料和電樞繞組電阻進(jìn)行組合，分別進(jìn)行仿真分析對(duì)比，有限元材料設(shè)置組合如表3 所示。

表3 有限元材料設(shè)置組合Tab. 3 Combination of material setting based on FEM

分兩類對(duì)有限元進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果如圖8 所示。其中，一類為保持電樞繞組電阻不變，改變鐵心材料，即將模型1 和3（或模型2 和4）進(jìn)行對(duì)比，可以看出，輸出電壓和輸出功率曲線略微下移，原因在于鐵心材料磁阻隨溫度上升而變大，導(dǎo)致電感變化值變小，相同勵(lì)磁磁勢(shì)下的輸出電壓降低。 第二類為保持鐵心材料不變，改變電樞繞組電阻，即將模型1 和4（或模型2 和3）進(jìn)行對(duì)比，可以看出，電機(jī)輸出電壓和輸出功率下降明顯， 說(shuō)明溫度升高時(shí)，電樞電阻的增加是導(dǎo)致電機(jī)輸出電壓降低的主要原因。

圖8 電阻變化和鐵心磁阻變化的影響Fig. 8 Effects of changes in winding resistance and core magnetic resistance

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于理論分析和仿真條件為理想化假設(shè)，僅依靠理論研究和仿真分析電機(jī)的溫度特性是不夠的。事實(shí)上，一些電機(jī)在不同環(huán)境溫度下的運(yùn)行特性只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能得到， 故主要對(duì)12/8 三相DSEG采用全橋整流方式的溫度特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于實(shí)驗(yàn)室條件所限，電機(jī)熱態(tài)電磁特性分析在電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，分別對(duì)樣機(jī)在室溫環(huán)境下及溫升實(shí)驗(yàn)后的熱狀態(tài)下進(jìn)行特性分析，并作對(duì)比研究。 電機(jī)測(cè)試平臺(tái)如圖9 所示，主要包含三相12/8極DSEG、RT-LAB 系統(tǒng)控制平臺(tái)、 負(fù)載電阻箱、直流電源、采樣和驅(qū)動(dòng)電路等。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 9 Experimental platform

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中， 電機(jī)外部采用熱成像儀進(jìn)行測(cè)溫，電機(jī)繞組溫升采用電阻法進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)伏安法計(jì)算繞組阻值，再得出繞組溫升，表示為

式中：θ1為測(cè)量繞組（冷態(tài)）初始電阻時(shí)的溫度；θ2為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)繞組的溫度；θa為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)冷卻介質(zhì)（本文為空氣）溫度；R1為溫度為θ1（冷態(tài)）時(shí)的繞組電阻；R2為熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的繞組電阻；k 為導(dǎo)體材料在0 ℃時(shí)電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)， 其中材料銅的kCu=235。

4.1 基于動(dòng)態(tài)溫升實(shí)驗(yàn)的特性分析

在轉(zhuǎn)速1 000 r/min、 勵(lì)磁電流6 A 時(shí)對(duì)DSEG進(jìn)行了空載測(cè)溫實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)初始環(huán)境溫度27.3 ℃，電機(jī)運(yùn)行120 min 基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度。 圖10 顯示了DSEG 勵(lì)磁繞組的電阻變化和溫升曲線。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持勵(lì)磁電流不變，勵(lì)磁電壓從冷態(tài)的11.89 V上升至熱態(tài)的13.47 V，上升明顯，勵(lì)磁電阻隨溫度的升高明顯變大，勵(lì)磁損耗增大。

在轉(zhuǎn)速1 000 r/min、 勵(lì)磁電流6 A 和負(fù)載為2.875 Ω（電流10.5 A）時(shí)對(duì)DSEG 進(jìn)行了負(fù)載測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)初始環(huán)境溫度為21 ℃。溫升實(shí)驗(yàn)后電機(jī)熱態(tài)的紅外溫度云圖如圖11 所示， 計(jì)算所得電機(jī)內(nèi)部勵(lì)磁繞組平均溫度為86.11 ℃，電樞繞組平均溫度為81.74 ℃。 冷態(tài)（實(shí)驗(yàn)初始溫度）和熱態(tài)的三相DSEG 的實(shí)驗(yàn)空載相電壓波形如圖12 所示。 繞組電阻隨溫度的變化并不影響電機(jī)空載相電壓波形，故空載相電壓波形主要反映鐵心材料性能隨溫度變化對(duì)電機(jī)性能的影響，對(duì)比圖12（a）和圖12（b），電機(jī)冷態(tài)和熱態(tài)空載相電壓波形變化不明顯，說(shuō)明溫升對(duì)鐵心材料性能影響較小，進(jìn)而對(duì)電機(jī)性能影響較小。

圖10 空載勵(lì)磁繞組的電阻和溫度曲線Fig. 10 Resistance and temperature curves of excitation winding under no load

圖11 熱平衡狀態(tài)紅外圖像Fig. 11 Infrared image in thermal equilibrium state

對(duì)樣機(jī)熱狀態(tài)下的發(fā)電特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并建立了該溫度下的仿真模型。將仿真模型中鐵心材料設(shè)置為文獻(xiàn)[9]中100 ℃的B-H 曲線，繞組電阻設(shè)置為該實(shí)驗(yàn)所得溫度下的阻值。 將冷態(tài)、熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，其外特性及功率曲線如圖13 所示，仿真與實(shí)驗(yàn)波形吻合度高，驗(yàn)證了改變材料進(jìn)行有限元建模的正確性。對(duì)比冷態(tài)實(shí)驗(yàn)和20 ℃有限元模型仿真結(jié)果， 仿真外特性曲線略高于實(shí)驗(yàn)曲線， 這是由于仿真模型更為理性化。熱態(tài)時(shí)的仿真外特性曲線略低于實(shí)驗(yàn)曲線，這是因?yàn)榉抡婺Ｐ椭需F磁材料的設(shè)置為100 ℃，而溫升實(shí)驗(yàn)中，鐵心溫度分布不均且低于100 ℃，仿真模型中鐵心材料溫度設(shè)置偏高導(dǎo)致磁導(dǎo)率略微下降。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果均顯示熱態(tài)時(shí)的電機(jī)外特性下移，相同勵(lì)磁電流下的功率輸出減小，這是鐵心磁阻和電樞繞組電阻隨溫升變大共同作用的結(jié)果。 事實(shí)上，高溫下DSEG 若要保持輸出電壓恒定，需增大勵(lì)磁電流，進(jìn)而使得勵(lì)磁損耗進(jìn)一步增加，造成更大的勵(lì)磁負(fù)擔(dān)，從而給高溫下DSEG 勵(lì)磁繞組的設(shè)計(jì)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

圖12 實(shí)驗(yàn)空載相電壓波形Fig. 12 Experimental waveforms of no-load phase voltage

圖13 溫升實(shí)驗(yàn)下外特性及功率對(duì)比Fig. 13 Comparison of external characteristics and power in temperature rise experiment

4.2 基于直流電源靜止熱實(shí)驗(yàn)的特性分析

為了使得仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證條件更為接近，采用直流電源靜止熱實(shí)驗(yàn)的方式加熱樣機(jī)，將定子電樞繞組串聯(lián)連接并通入12 A 的直流電。 記錄直流電源所示的電壓電流， 隨時(shí)監(jiān)測(cè)繞組阻值變化，并計(jì)算繞組瞬時(shí)平均溫度，通過(guò)這種方式將電樞繞組加熱至100 ℃進(jìn)行電機(jī)特性分析，并與100 ℃仿真模型進(jìn)行對(duì)比分析。 圖14 為實(shí)驗(yàn)和仿真的DSEG 外特性和功率曲線，可以看出仿真與實(shí)驗(yàn)波形較為吻合，驗(yàn)證了改變材料進(jìn)行有限元建模的正確性。

圖14 靜止熱實(shí)驗(yàn)下外特性及功率曲線對(duì)比Fig. 14 Comparison of external characteristic and power curves in static thermal test

5 結(jié)論

本文通過(guò)磁路計(jì)算、仿真分析和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)DSEG 不同溫度下的電機(jī)特性進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

（1）采用等效磁路法，并結(jié)合有限元法分析溫度對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)和繞組電感的影響，溫度對(duì)各相磁鏈的影響最大的位置為定、轉(zhuǎn)子極正對(duì)位置。 溫度上升，電機(jī)各相電感最大值減小，最小值幾乎不變。

（2）隨溫度上升，DSEG 外特性下移，輸出功率降低。

（3）通過(guò)建模對(duì)比分析，繞組銅材性能隨溫度的變化對(duì)電機(jī)性能的影響大于鐵心材料的影響。

（4）對(duì)一種三相12/8 極DSEG 進(jìn)行了電機(jī)動(dòng)態(tài)溫升實(shí)驗(yàn)和直流電源靜止熱實(shí)驗(yàn)的方式加熱樣機(jī)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)的電機(jī)溫度特性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了分析和仿真的正確性。 研究環(huán)境溫度變化對(duì)DSEG 輸出特性的影響，為不同環(huán)境下工作的DSEG 設(shè)計(jì)和使用提供參考。