陶學恒，史立偉，劉楷文，李林濤，荊建寧

(山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255049)

近年來汽車電氣化水平的提高對汽車發(fā)電機的性能要求越來越高，電勵磁雙凸極發(fā)電機(double salient electromagnetic generator，DSEG)作為一種新型無刷直流發(fā)電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)壓容易等優(yōu)點，適合應用于航空航天、汽車和風力發(fā)電領(lǐng)域，在汽車電源系統(tǒng)具有良好的應用前景[1-3]。傳統(tǒng)DSEG為雙凸極結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子間的磁路長，導致磁鏈弱，電機的輸出能力低[4]。為獲得短磁路、減輕自身質(zhì)量并提高電機可靠性，對傳統(tǒng)DSEG的轉(zhuǎn)子進行模塊化研究具有重要意義。

目前國內(nèi)外學者對分塊轉(zhuǎn)子電機做了大量研究，文獻[5-6]提出了一種分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機，其轉(zhuǎn)矩密度與同尺寸的SRM相近；文獻[7-8]提出了分塊轉(zhuǎn)子數(shù)高于定子齒數(shù)的分塊轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(switched reluctance machine，SRM)，研究表明該電機具有更高的輸出轉(zhuǎn)矩能力和更低的鐵損；文獻[9]針對分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁通切換電機提出了一種用于分析電機靜態(tài)特性的非線性變網(wǎng)絡(luò)磁路建模方法，該方法考慮了轉(zhuǎn)子磁導率模型和磁飽和問題；文獻[10-11]將分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應用于SRM，推導了分塊SRM定子和轉(zhuǎn)子極數(shù)、尺寸和繞組匝數(shù)的設(shè)計規(guī)律；文獻[12-13]基于傳統(tǒng)12/8 SRM設(shè)計了一種帶有輔助齒的分塊轉(zhuǎn)子SRM，輔助齒配合分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了短磁路的效果并減小了電機鐵心損耗，提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩和效率；文獻[14-15]研究表明奇數(shù)極分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機無偶數(shù)次諧波，而偶數(shù)極分塊轉(zhuǎn)子電機的偶數(shù)次諧波無法抵消，故其磁鏈和感應電動勢存在正負半周期波形不對稱的問題；文獻[16]針對偶數(shù)極分塊轉(zhuǎn)子發(fā)電機的感應電動勢存在偶數(shù)次諧波問題，提出了在分塊轉(zhuǎn)子內(nèi)增加氣隙磁障的拓撲，削弱了感應電動勢的偶數(shù)次諧波。

分析可得，目前分塊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的應用主要集中在磁通切換電機和開關(guān)磁阻電機上，且轉(zhuǎn)子大都采用扇形分塊的方式，在電勵磁雙凸極電機上的應用較少。本文在此基礎(chǔ)上，將分塊U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應用于電勵磁雙凸極電機，提出一種勵磁方式為每極勵磁的短磁路的U形轉(zhuǎn)子定子勵磁發(fā)電機(U-shaped rotor stator excitation generator，UR-SEG)，詳細介紹其拓撲結(jié)構(gòu)與工作原理，研究UR-SEG的電磁特性，并對其感應電動勢的諧波含量進行分析。

1 UR-SEG拓撲結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)DSEG采用整體式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。該電機的磁路較長，損耗較大，相同的輸出功率的條件下，電機的本體質(zhì)量較大。另外，傳統(tǒng)DSEG各相間影響較大，電機容錯性能較低，電機可靠性差。本文以UR-SEG為研究對象，其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。UR-SEG的定子采用傳統(tǒng)雙凸極電機的定子結(jié)構(gòu)，定子上有12個相同的定子極；轉(zhuǎn)子由8個U形轉(zhuǎn)子塊和一個鋁制的轉(zhuǎn)子架組成，每個U形轉(zhuǎn)子塊通過燕尾槽固定在轉(zhuǎn)子架上。模塊化U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不僅減小了轉(zhuǎn)子部分的鐵心質(zhì)量，同時縮短了電機磁路。電機采用集中非疊繞組，電機的勵磁繞組沿周向均勻分布，每個定子齒上部均布置一個勵磁繞組線圈；電機電樞繞組布置在每個定子齒的下部，周向間隔90°的4個電樞線圈串聯(lián)組成一相，三相繞組線圈按ABCABC的順序周向排序，每相電樞繞組共包括4個繞組線圈，如圖1(c)所示。UR-SEG的基本參數(shù)見表1。

(a)傳統(tǒng)DSEG結(jié)構(gòu)

表1 UR-SEG的基本參數(shù)

本文同時建立了同尺寸的傳統(tǒng)DSEG的三維模型，通過有限元軟件設(shè)定電機各部分的材料屬性，進而測量出電機各部分的質(zhì)量。表2為UR-SEG與傳統(tǒng)DSEG各部分質(zhì)量的對比，UR-SEG的U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)DSEG整體轉(zhuǎn)子質(zhì)量減小了14.23%。

表2 傳統(tǒng)DSEG與UR-SEG各部分質(zhì)量對比

2 UR-SEG的工作原理

UR-SEG與開關(guān)磁阻電機的工作原理類似，都是按照磁阻最小原理運行。當直流電源給UR-SEG的勵磁繞組通入直流電時，勵磁繞組產(chǎn)生主磁場，通過定子極、氣隙、U形轉(zhuǎn)子形成閉合回路，電機內(nèi)部磁場隨著轉(zhuǎn)子位置角的變化而變化，相磁鏈將發(fā)生周期性變化，進而在各相電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢。當外電路輸出端接入負載后，在原動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的作用下，電機磁場能量發(fā)生變化，并不斷地向負載輸送電能。

圖2為理想條件下UR-SEG工作時三相電感變化曲線，圖中LAf、LBf和LCf分別為三相電樞繞組與勵磁繞組間的互感。在轉(zhuǎn)子極滑入和滑出定子極的過程中，一個周期內(nèi)的電感變化趨勢可平均分成3段。根據(jù)磁場儲能原理，忽略電機漏磁、損耗等因素，電機相繞組中產(chǎn)生的相感應電動勢和在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為[4]：

圖2 UR-SEG理想電感曲線

(1)

(2)

式中：if表示勵磁電流；iA表示A相繞組電流；θ為轉(zhuǎn)子位置角；ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度。由式(1)和式(2)可知，通過改變勵磁電流可以直接調(diào)節(jié)UR-SEG的輸出。

3 UR-SEG電磁特性分析

3.1 空載發(fā)電仿真分析

根據(jù)表1 UR-SEG的基本參數(shù)建立電機有限元仿真模型，設(shè)定勵磁電流為8 A，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，對電機進行空載發(fā)電仿真。圖3為UR-SEG在不同轉(zhuǎn)子位置的磁力線等勢圖與磁密場圖。圖3(a)為UR-SEG的U形轉(zhuǎn)子與定子齒對齊位置時的場圖，以B1齒主磁路為例，B1齒上的勵磁繞組產(chǎn)生的磁通經(jīng)過氣隙、U形轉(zhuǎn)子、C1定子齒后，與C1定子齒上的勵磁繞組產(chǎn)生的磁通疊加，共同經(jīng)過定子軛部形成磁路L1。另外，還有極少部分漏磁通經(jīng)相鄰的U形轉(zhuǎn)子、較長的氣隙、A2齒以及定子軛部構(gòu)成閉合回路L2。

(a)對齊位置

圖3(b)為UR-SEG的定子極與U形轉(zhuǎn)子塊處于非對齊位置時的場圖，此時主磁路由兩條并聯(lián)的磁路組成。以A2齒所在主磁路為例，C1齒上的勵磁繞組產(chǎn)生的磁通經(jīng)氣隙、U2轉(zhuǎn)子塊進入A2齒，B2齒上的磁通經(jīng)U3轉(zhuǎn)子塊到達A2齒上，兩路磁通均經(jīng)過A2齒和定子軛部形成閉合回路。其中，A2齒作為主磁路的干路，A2齒部位的磁力線比其他部位要密集一些，磁感應強度相差約0.3 T。由于電機定子齒上部布置有勵磁繞組，故同一定子齒的上半段磁感應強度要較下半段大；定子齒以及U形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)均布置有極靴，在定轉(zhuǎn)子極處于半對齊位置時，極靴部位磁密較大。

通過對相同尺寸的傳統(tǒng)DSEG仿真，得到傳統(tǒng)DESG在不同轉(zhuǎn)子位置的磁力線圖與磁密場圖，如圖4所示。以A 相定子齒軸線與轉(zhuǎn)子極軸線重合時為例，主磁通從A1 齒經(jīng)過氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛、A2 齒、定子軛形成主磁通路徑L1。與圖3(a)UR-SEG定子齒與U形轉(zhuǎn)子對齊位置時的磁路相比，UR-SEG的磁路明顯縮短。

圖4 傳統(tǒng)DSEG磁力線及磁密場圖

圖5(a)為相磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置變化和勵磁電流的波形曲線。在一個電周期內(nèi)，相磁鏈上升區(qū)和下降區(qū)的斜率相等，整個磁鏈波形近似于一個倒等腰三角形波。相磁鏈幅值隨著勵磁電流的增加而增加，當勵磁電流增加至9 A時，磁鏈幅值增加變慢，此時電機內(nèi)部磁場接近飽和。因此，磁鏈與轉(zhuǎn)子位置角和勵磁電流呈非線性關(guān)系，在電機磁場未飽和時，通過調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓，并保持輸出電壓穩(wěn)定。

圖5(b)為UR-SEG空載特性曲線，當勵磁電流小于13 A時，電機內(nèi)部磁場未飽和，輸出電壓隨勵磁電流的增加而線性增大；當勵磁電流大于13 A時，電機內(nèi)部磁場已深度飽和，磁通變化率變小使得電機輸出電壓略有減小。

(a)不同勵磁電流下磁鏈波形

圖6為勵磁電流為8 A時傳統(tǒng)DSEG和UR-SEG的各相電動勢波形。圖6(a)為傳統(tǒng)DSEG電動勢波形，各相電勢波形為斜梯狀，且波形峰值左右兩側(cè)不對稱。圖6(b)為UR-SEG電動勢波形，其波形在峰值處較平緩且左右對稱，與前者的斜梯狀波形不同，表明UR-SEG的感應電動勢波形更近似正弦波，具有更好的發(fā)電效果。

(a)傳統(tǒng)DSEG感應電動勢

對于發(fā)電機來說，諧波電動勢會使電動勢波形變壞，影響發(fā)電質(zhì)量；還會使定子繞組、磁通回路以及鐵心中的附加損耗增加，發(fā)電效率降低，電機溫升增高。電勵磁雙凸極發(fā)電機定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，使得其內(nèi)部磁場復雜且非線性，故其產(chǎn)生的感應電動勢中不可避免地存在諧波，諧波含量過高會嚴重影響感應電動勢波形的正弦度。為了對比兩種電機的感應電動勢諧波分布，將勵磁電流為8 A時兩種電機空載感應電勢波形進行了傅立葉分解，得到兩種波形的各次諧波值，如圖7所示。UR-SEG的感應電動勢基波幅值為49.97 V，傳統(tǒng)DSEG的為53.54 V，UR-SEG的基波幅值略低于后者；而UR-SEG的2次、4次、5次諧波分別較傳統(tǒng)DSEG降低4.32、1.15、3.69 V，故UR-SEG的感應電動勢中的諧波含量較少。

圖7 傳統(tǒng)DSEG和UR-SEG空載感應電勢諧波對比

為準確比較兩種電機的空載感應電勢波形正弦度，本文選取了兩種電機感應電動勢的前12次諧波進行諧波失真計算，通過式(3)可以分別計算電機感應電動勢的總諧波失真(UTHD)、奇次諧波含量(UTHDO)與偶次諧波含量(UTHDE)。

(3)

式中：i為諧波次數(shù)；ui為電動勢第i次諧波值。

根據(jù)式(3)計算出的兩種電機電動勢的各諧波含量見表3。其中傳統(tǒng)DSEG的電動勢中奇次諧波含量為9.80%，偶次諧波含量為38.64%，總諧波失真為39.86%；UR-SEG的電動勢奇次諧波含量為5.95%，偶次諧波含量為32.46%，總諧波失真為33.00%。與傳統(tǒng)DESG相比，UR-SEG的奇次諧波含量降低了3.85%，偶次諧波含量降低了6.18%，總諧波失真下降了6.86%。從上述計算數(shù)據(jù)可以看出，UR-SEG的電動勢正弦度更高，各種諧波含量更低，有效地降低了諧波在發(fā)電系統(tǒng)中的損耗，提高了發(fā)電質(zhì)量。

表3 傳統(tǒng)DSEG和UR-SEG空載感應電勢諧波含量

3.2 負載發(fā)電仿真分析

圖8為相同尺寸的兩種電機在勵磁電流為13 A，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，均接入5 Ω負載時各相電動勢波形對比。圖8(a)為傳統(tǒng)DSEG三相感應電動勢波形，受電樞反應和換相重疊的影響，各相電動勢波形均發(fā)生很大程度的畸變，波形在正向幅值處出現(xiàn)下凹，在負向幅值處向下凸出，導致波形正向幅值小于負向幅值，波形上下也不對稱，影響了波形的正弦度。圖8(b)為UR-SEG負載感應電動勢波形，與空載感應電勢圖6(b)相比，負載時三相電動勢波形總體上呈正弦狀，波形正負峰值基本相等，各相相位差為120°。圖中各相電動勢波形在過零點時波形波動較大是由于該相定子極上的磁通較大，磁通大小會隨著轉(zhuǎn)子位置的變化發(fā)生輕微的變化，導致該相電樞繞組感應出數(shù)值較小的電動勢?？梢钥闯?，UR-SEG在負載時相感應電動勢波形正弦度更高，發(fā)電質(zhì)量更好。

(a)傳統(tǒng)DSEG負載感應電動勢

為了準確對比兩種電機負載時感應電動勢的畸變情況，對兩種電機負載工況下的感應電動勢進行了諧波分析。圖9為UR-SEG與傳統(tǒng)DSEG負載感應電勢的前12次諧波對比，其中UR-SEG的基波幅值為42.63 V，而傳統(tǒng)DSEG的基波幅值僅為40.59 V，UR-SEG基波幅值要大于傳統(tǒng)DSEG；另外，UR-SEG的各偶次諧波值均低于傳統(tǒng)DSEG，其中2次諧波降低6.06 V，4次諧波降低1.20 V，6次諧波降低2.86 V。

圖9 UR-SEG與傳統(tǒng)DSEG負載感應電勢諧波對比

根據(jù)式(3)計算得兩種電機負載感應電勢的總諧波失真、奇次諧波含量與偶次諧波含量見表4。由于UR-SEG的3次和5次諧波高于傳統(tǒng)DSEG，其奇次諧波含量為47.81%，而傳統(tǒng)DSEG的為40.50%，故其奇次諧波含量較傳統(tǒng)DSEG高7.31%；UR-SEG的為23.24%，傳統(tǒng)DSEG的為40.52%，故前者偶次諧波含量下降17.28%；總諧波失真下降7.28%。可以看出，UR-SEG的感應電動勢中偶次諧波的含量極大降低，總諧波含量更少，發(fā)電效率較高，發(fā)電質(zhì)量更好。

表4 傳統(tǒng)DSEG和UR-SEG負載感應電勢諧波含量

為了準確對比兩種電機負載時的發(fā)電效果，對兩種電機在勵磁電流為13 A、轉(zhuǎn)速為3 000 r/min接入5 Ω負載時的輸出進行了仿真，結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，UR-SEG輸出波形的波動要小于傳統(tǒng)DSEG，其中傳統(tǒng)DSEG輸出電壓均值為56.44 V，脈動率為54.28%；UR-SEG輸出電壓均值為59.33 V，脈動率為42.05%。UR-SEG各相感應電動勢的總諧波失真小，輸出電壓均值較前者增加2.89 V，脈動率下降12.23%，故其發(fā)電質(zhì)量要優(yōu)于傳統(tǒng)DSEG。

圖10 UR-SEG與傳統(tǒng)DSEG輸出電壓波形對比

4 結(jié)論

本文提出了具有 U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的定子勵磁雙凸極發(fā)電機，介紹了發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與工作原理，并對發(fā)電機的電磁特性進行了分析與驗證，得出了以下結(jié)論：

1)與傳統(tǒng)DSEG相比，UR-SEG的分塊U形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)縮短了磁路，電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量減小了14.23%。

2)與傳統(tǒng)DSEG相比，三相UR-SEG在空載時感應電動勢波形總諧波畸變率下降6.86%，負載時下降7.28%，該電機電動勢波形正弦度更高，總諧波含量更少，整流電路自身的損耗降低，發(fā)電效率較高，發(fā)電質(zhì)量較好。