混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)定子固有頻率仿真及試驗(yàn)*

(哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

永磁電機(jī)近年來(lái)得到了相當(dāng)廣泛的研究及應(yīng)用，但因其氣隙磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)，用作發(fā)電機(jī)時(shí)隨著負(fù)載的變化其輸出電壓隨之變化，不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。為使永磁電機(jī)具備一定的電壓調(diào)節(jié)能力，各國(guó)學(xué)者相繼提出了不同結(jié)構(gòu)的、永磁電機(jī)與電勵(lì)磁電機(jī)相結(jié)合的混合勵(lì)磁電機(jī)[1～5]。由于混合勵(lì)磁電機(jī)兼具了永磁電機(jī)高效率、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)及電勵(lì)磁電機(jī)電壓調(diào)節(jié)的能力，在新能源領(lǐng)域及艦船、航空等場(chǎng)合得到了廣泛關(guān)注。

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

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

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

圖1混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)定子視圖

表1電機(jī)主要參數(shù)

參數(shù)參數(shù)值功率(kW)100額定轉(zhuǎn)速(rpm)12000直流輸出電壓(V)500機(jī)殼外徑(mm)346定子內(nèi)徑(mm)168機(jī)殼軸向長(zhǎng)度(mm)580槽數(shù)48相數(shù)12極數(shù)4負(fù)載類型4個(gè)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?jī)H有4個(gè)扇形面與定子機(jī)殼內(nèi)圓緊配合，并且底座支架焊接在機(jī)殼外圓上，采用解析方法難以準(zhǔn)確計(jì)算定子固有頻率。因此，本文采用Ansys workbench平臺(tái)導(dǎo)入定子機(jī)殼的三維模型，將繞組作為附加質(zhì)量計(jì)入定子鐵心，從而完成該電機(jī)的定子固有頻率計(jì)算。

電機(jī)定子沖片厚度為0.35mm，根據(jù)文獻(xiàn)[7]研究結(jié)果將其彈性模量取為150GPa，機(jī)殼材料為Q345，彈性模量取為200GPa。計(jì)算過(guò)程中對(duì)電機(jī)底腳平面進(jìn)行約束，模態(tài)數(shù)設(shè)置為14階，各模態(tài)的固有頻率計(jì)算結(jié)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(jié)果。

表2 固有頻率計(jì)算結(jié)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(yàn)

3.1 測(cè)試方法

采用錘擊法對(duì)混合勵(lì)磁電機(jī)定子進(jìn)行了固有頻率測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)電機(jī)固定在工作臺(tái)上，如圖6所示。測(cè)試時(shí)分別在出線端、軸向中間位置、傳動(dòng)端的圓周上，選取8個(gè)不同的錘擊點(diǎn)，加速度傳感器位于被測(cè)圓周的頂部。激振器、加速度傳感器均為美國(guó)PCB公司生產(chǎn)，信號(hào)分析儀為美國(guó)LDS公司生產(chǎn)。

圖6電機(jī)定子模態(tài)試驗(yàn)

3.2 測(cè)量結(jié)果

為準(zhǔn)確測(cè)量混合勵(lì)磁電機(jī)的定子固有頻率，每個(gè)被測(cè)圓周的8個(gè)被測(cè)點(diǎn)都分為兩個(gè)頻率范圍進(jìn)行測(cè)量，即低頻范圍0～1124Hz和高頻范圍0～2635Hz。兩種頻率測(cè)量范圍下，出線端、中間位置、傳動(dòng)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(cè)量結(jié)果

圖8固有頻率在0～2635Hz范圍測(cè)量結(jié)果

3.3 仿真及試驗(yàn)結(jié)果比較

選擇固有頻率試驗(yàn)中加速度峰值較大且相干函數(shù)值接近于1的幾個(gè)頻率，將其與仿真計(jì)算結(jié)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(cè)量值為基準(zhǔn)，給出計(jì)算值與測(cè)量值之間的誤差。

表3 固有頻率的仿真及試驗(yàn)結(jié)果比較

從表3的比較結(jié)果可以看出，固有頻率的計(jì)算值與測(cè)量值總體上較為接近，低頻時(shí)誤差較大，高頻時(shí)誤差較小，最大誤差不超過(guò)17%。從仿真結(jié)果來(lái)看，1681Hz及以上的振型均為為3階，其余為橢圓振型。此外，從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，頻率為1774Hz的振動(dòng)幅值較大，在不同的被測(cè)圓周上均可測(cè)出，如果有頻率和振型與之相近的激振力，則會(huì)導(dǎo)致較大的振動(dòng)和噪聲。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一臺(tái)十二相并列轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子進(jìn)行了模態(tài)仿真與試驗(yàn)研究，分析結(jié)果表明：對(duì)于特殊定子結(jié)構(gòu)，采用有限元法能夠準(zhǔn)確地計(jì)算定子固有頻率，定子固有頻率的計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果較為接近，可為該電機(jī)的振動(dòng)和噪聲源分析提供重要參考。