混合勵磁發電機定子固有頻率仿真及試驗*

(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，用作發電機時隨著負載的變化其輸出電壓隨之變化，不能實現穩壓輸出。為使永磁電機具備一定的電壓調節能力，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、高功率密度的優點及電勵磁電機電壓調節的能力，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電機，其定子繞組為十二相，負載為四個三相整流橋并聯而成的多重整流系統。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試驗研究，以驗證仿真結果的正確性。

1 電機結構與參數

本文定子模態仿真及試驗研究所涉及到的混合勵磁發電機定子視圖如圖1所示，該電機的主要參數如表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混合勵磁發電機定子視圖

表1電機主要參數

參數參數值功率(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48相數12極數4負載類型4個三相整流橋并聯

2 定子模態仿真

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，模態數設置為14階，各模態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，信號分析儀為美國LDS公司生產。

圖6電機定子模態試驗

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電機的定子進行了模態仿真與試驗研究，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。