双定子永磁同步发电机 (II)——有限元分析及样机试验

徐衍亮 王雅玲 刘西泉

（1. 山东大学电气工程学院 济南 250061 2. 北京航空航天大学光电科学与工程学院 北京 100083）

1 引言

双定子永磁同步发电机首先具有高效、高功率密度特点，同时其内、外定子绕组的多种连接方式而具有的宽恒功率调速范围（作为电动机）及宽恒电压输出范围（作为发电机），使其在串励混合动力电动汽车的起动/发电机[1]、风力发电机[2]中具有重要应用价值。由于双定子永磁同步发电机的特殊结构，尽管可以采用有限元方法对其进行分析[2]，但无法采用现成的电磁设计程序进行电磁设计。本系列文章的第I部分采用响应面法，基于组成双定子永磁同步发电机的内、外两个永磁同步发电机的独立设计，得到了双定子永磁同步发电机的设计方案，因此，本文首先通过对样机设计方案的有限元分析和样机实验，验证响应面法在双定子永磁同步发电机电磁设计中的应用效果。

有文献对双定子永磁同步发电机进行了磁场的有限元分析和样机试验，给出了空载时双定子永磁同步发电机的计算电动势波形和试验电动势波形的比较[1,2,4]，文献[5,6]采用有限元分别对双定子电机的涡流损耗和齿槽转矩进行了分析，到目前为止，没有文献通过有限元分析计算及试验研究得出双定子永磁同步发电机的功率密度的定量结论，也没有文献对该种发电机的电压调整率进行分析和试验。因此，本文的另一目的是对双定子永磁同步发电机样机电机进行全面的有限元分析计算和试验，得到该种电机很低电压调整率和很高功率密度的结论。

2 样机电机的有限元分析计算

样机为三相、380V、5kW、1500r/min，采用4极电机结构，由响应面法得到的其他结构尺寸及性能设计参数见本系列文章的第I篇。

2.1 空载计算

图 1为双定子永磁同步发电机空载时磁场及气隙磁通密度分布，图2分别为额定转速下外定子、内定子及整体双定子发电机的永磁相电动势波形。可以看出，尽管气隙磁通密度波形正弦性较差，但相电动势波形正弦性较好。响应面法设计计算、有限元法及试验法（见后文）得到的双定子永磁同步发电机空载相电动势见下表。可以看出，三者基本相符，证明了响应面法在双定子永磁同步发电机中设计的有效性。

图1 空载时磁场及气隙磁通密度Fig.1 Magnetic field and air-gap field flux density distribution when on load

图2 发电机空载时永磁相电动势Fig.2 Calculated phase EMF waveform when no load

表 不同方法得到的空载相电动势比较Tab. No load phase EMF comparison

双定子永磁同步发电机的电磁设计，是通过响应面法综合了内、外永磁同步发电机的单独设计而实现。在进行内、外永磁同步发电机的单独设计时，首先保证转子轭部对应位置处永磁磁通密度方向相反，其次保证其磁通密度大小相近，实现了双定子永磁同步发电机空载时转子轭部没有或只有很低的切向永磁磁通密度，如图1a所示，因此该发电机在不考虑机械因素时转子轭部铁心厚度可以很小（本样机只有 6mm），同时导致了双定子永磁同步发电机内、外气隙永磁磁通接近相同，即该发电机外气隙磁通密度低于内气隙磁通密度，如图1b所示。图3为双定子永磁同步发电机空载且转子内磁体代替为空气时磁力线分布和外气隙永磁磁通密度分布，图4为双定子永磁同步发电机空载且转子外磁体代替为空气时磁力线分布和内气隙永磁磁通密度分布。可以看出，在内、外磁体单独作用时，由于转子轭部较小所导致的饱和，分别使内、外气隙永磁磁通密度低于共同作用时的内外气隙永磁磁通密度，这正是双定子永磁同步发电机功率密度增加的原因所在。

图4 双定子永磁同步发电机空载且转子外磁体变为空气时的磁力线及磁通密度Fig.4 Field distribution when rotor outer magnet is replaced by air and when in no load

2.2 电枢反应计算

图5为双定子永磁同步发电机定子绕组通有直轴电流6A（去磁电流）时的磁力线分布、内外气隙磁通密度分布；图6为双定子永磁同步发电机定子绕组通有交轴电流 6A时的磁力线分布、内外气隙磁通密度分布。可以看出，双定子永磁同步发电机电枢反应很低，对永磁体的工作点影响很小。

图5 定子通有直轴6A去磁电流时双定子永磁同步发电机磁场Fig.5 Field distribution when 6A pure d-axis demagnetizing current is flowing in staor winding

图6 定子通有交轴电枢电流6A时电机磁场Fig.6 Field distribution when 6A q-axis current is flowing in staor winding

3 样机实验

图7为样机实物图，图8为额定转速下，样机的相电动势波形及内、外定子绕组的相电动势波形。对比磁场的分析结果可以看出两者相近，具有较好的相电动势波形正弦性，且外定子相电动势为160V左右，内定子相电动势80V左右，而整体发电机电动势的有效值为 240V左右。由此可知，内、外定子相电动势代数和构成了整体发电机的相电动势，说明样机内、外定子绕组的轴线及内、外磁体轴线对齐。考虑到空载时外定子相电动势为160V左右，内定子相电动势80V左右，因此在不考虑散热条件的前提下，双定子永磁同步发电机的功率密度（功率/体积）比单一内转子永磁同步发电机（即双定子永磁同步发电机的外电机）提高了50%。

图7 双定子永磁同步发电机样机Fig.7 Dual-stator PMSG prototype

图8 样机电机的空载相电动势Fig.8 Measured phase EMF waveform when the prototyped PMSG in no load

发电机带电阻性负载，在 1500r/min转速时做温升、效率及电压调整率试验，试验表明在5kW输出功率时，发电机的温升为60K。电压调整率试验曲线及效率曲线分别如图9a、9b所示，可以看出，在电阻负载时额定电压调整率为 6%左右，额定效率90%左右，且在很大负载范围内具有高的运行效率。

图9 样机电机负载试验曲线Fig.9 Prototyped PMSG experimental result when in load

4 结论

本文基于本系列文章第 I篇中采用响应面法得到的双定子永磁同步发电机方案，进行电磁场的有限元分析计算及样机的试验验证，得到以下结论：

（1）可以基于内转子永磁同步发电机和外转子永磁同步发电机的电磁设计程序，采用响应面法，进行双定子永磁同步发电机的电磁设计。

（2）双定子永磁同步发电机的电枢反应对永磁体工作点的影响很小，有利于该种电机磁体工作点的稳定性和电压稳定性。

（3）在不考虑散热差异的前提下，双定子永磁同步发电机的功率/体积密度比通常内转子永磁同步发电机提高50%。

（4）对本文给出的 5kW、380V的双定子永磁同步发电机样机，在电阻负载时，额定电压调整率为6%，额定效率达90%，具有良好的性能。

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