混合励磁发电机定子固有频率仿真及试验*

(哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

永磁电机近年来得到了相当广泛的研究及应用，但因其气隙磁场难以调节，用作发电机时随着负载的变化其输出电压随之变化，不能实现稳压输出。为使永磁电机具备一定的电压调节能力，各国学者相继提出了不同结构的、永磁电机与电励磁电机相结合的混合励磁电机[1～5]。由于混合励磁电机兼具了永磁电机高效率、高功率密度的优点及电励磁电机电压调节的能力，在新能源领域及舰船、航空等场合得到了广泛关注。

文献[6]提出了一种halbach永磁转子与隐极电励磁转子同轴排布的并列转子混合励磁发电机，其定子绕组为十二相，负载为四个三相整流桥并联而成的多重整流系统。为分析该电机可能存在的振动及噪声源，获得准确的定子固有频率是非常重要的。本文以该混合励磁发电机定子为研究对象，基于3D有限元法对定子固有频率进行了仿真分析，并针对样机的定子进行了模态试验研究，以验证仿真结果的正确性。

1 电机结构与参数

本文定子模态仿真及试验研究所涉及到的混合励磁发电机定子视图如图1所示，该电机的主要参数如表1所示。该电机的定子冲片轭部开有4个轴向通风道，用于将转子产生的热量与定子水冷机壳进行热交换。定子铁心采用扣片来保证叠片的压紧力，两端则采用定子铁心压圈来固定其在机壳中的装配位置。

图1混合励磁发电机定子视图

表1电机主要参数

参数参数值功率(kW)100额定转速(rpm)12000直流输出电压(V)500机壳外径(mm)346定子内径(mm)168机壳轴向长度(mm)580槽数48相数12极数4负载类型4个三相整流桥并联

2 定子模态仿真

由于本文中定子铁心冲片较为特殊，其轭部仅有4个扇形面与定子机壳内圆紧配合，并且底座支架焊接在机壳外圆上，采用解析方法难以准确计算定子固有频率。因此，本文采用Ansys workbench平台导入定子机壳的三维模型，将绕组作为附加质量计入定子铁心，从而完成该电机的定子固有频率计算。

电机定子冲片厚度为0.35mm，根据文献[7]研究结果将其弹性模量取为150GPa，机壳材料为Q345，弹性模量取为200GPa。计算过程中对电机底脚平面进行约束，模态数设置为14阶，各模态的固有频率计算结果如表2所示。图2、图3、图4、图5分别给出固有频率为405.05Hz、700.6Hz、1681Hz、2046.2Hz的振型仿真结果。

表2 固有频率计算结果

图2仿真405.05Hz振型

图3仿真700.6Hz振型

图4仿真1681Hz振型

图5仿真2046.2Hz振型

3 定子固有频率试验

3.1 测试方法

采用锤击法对混合励磁电机定子进行了固有频率测试，试验时电机固定在工作台上，如图6所示。测试时分别在出线端、轴向中间位置、传动端的圆周上，选取8个不同的锤击点，加速度传感器位于被测圆周的顶部。激振器、加速度传感器均为美国PCB公司生产，信号分析仪为美国LDS公司生产。

图6电机定子模态试验

3.2 测量结果

为准确测量混合励磁电机的定子固有频率，每个被测圆周的8个被测点都分为两个频率范围进行测量，即低频范围0～1124Hz和高频范围0～2635Hz。两种频率测量范围下，出线端、中间位置、传动端的固有频率及相干函数分别如图7、图8所示。

图7固有频率在0～1124Hz范围测量结果

图8固有频率在0～2635Hz范围测量结果

3.3 仿真及试验结果比较

选择固有频率试验中加速度峰值较大且相干函数值接近于1的几个频率，将其与仿真计算结果相比较，如表3所示。表3中除第一行和最后一行之外，均以中间位置的固有频率测量值为基准，给出计算值与测量值之间的误差。

表3 固有频率的仿真及试验结果比较

从表3的比较结果可以看出，固有频率的计算值与测量值总体上较为接近，低频时误差较大，高频时误差较小，最大误差不超过17%。从仿真结果来看，1681Hz及以上的振型均为为3阶，其余为椭圆振型。此外，从实测结果可以看出，频率为1774Hz的振动幅值较大，在不同的被测圆周上均可测出，如果有频率和振型与之相近的激振力，则会导致较大的振动和噪声。

4 结语

本文针对一台十二相并列转子混合励磁发电机的定子进行了模态仿真与试验研究，分析结果表明：对于特殊定子结构，采用有限元法能够准确地计算定子固有频率，定子固有频率的计算结果与测量结果较为接近，可为该电机的振动和噪声源分析提供重要参考。