陈虎威　袁留民

摘要：双凸极电机是一种新型无刷直流电机，按励磁方式主要分为永磁、电励磁、混合励磁双凸极电机等。双凸极电机作为一种低成本、高可靠性的电机，具有良好的电气特性，正在受到广泛的关注。文章对110kW双凸极电机进行介绍，有限元分析计算电机运行时磁场、功率、电机铁耗等数据，并根据仿真计算结果来对设计和生产起到借鉴作用。

关键词：电励磁；双凸极电机；有限元分析；电机功率；铁耗

中图分类号：TM359 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0055-03

1 概述

双凸极（DSEM）是在开关磁阻电机基础之上发展起来的，是一种新型无刷电机，具有结构简单、效率高、绕组电流可双极性控制等优点。转子上没有绕组和磁钢，结构简单、坚韧可靠，可应用于航空航天、风力发电等场合，以此受到国内外学者的关注。

传统的双凸极电机研究大都集中在三相结构如6/4、12/8等结构，而针对四相以及多相结构的双凸极电机的研究尚处于起步阶段。东南大学的程明等学者针对8/6结构双凸极电机（“8/6极双凸极电机的转矩脉动减小方法及其8/6极双凸极电机”，中国发明专利：ZL200410014568.5）提出了一种减小转矩脉动的控制方案，但是目前专门针对四相双凸极电机的研究文献及成果较少。

本文以48/36极110kW额定转速为110r/min双凸极电机作为研究对象，对新型的DSEM的电磁特性、功率进行了理论分析和试验对比，以便为该电机的设计和生产提供

参考。

2 电机结构

48/36极110kW双凸极电机结构如图1所示，定转子均为凸极齿槽结构，定子槽里面装有电枢绕组和励磁绕组，转子上面没有绕组。文章针对该发电机空载和负载情况进行了计算和分析。

3 磁感应变化

双凸极发电机空载情况下，各部分磁场密度随时间变化而变化，采用有限元分析软件进行分析计算，得到如图2所示图片：

从图2知道，在励磁电流为35A时，电机内部磁密已达到最大值，即磁饱和状态。

4 负载仿真计算和分析

负载情况下，计算分析得到的数据，如下表2和图3

所示：

并且，根据有限元分析软件Ansoft还得到如下表3和图4所示：

综上所述可知，当励磁电流达到45A时，电机的运行数据结果已达到趋于稳定状态。

5 电机铁耗计算和分析

双凸极电机外电源供电运行情况下，电频率的增加导致转速的增加，随之铁心内部的磁场变化也较大，导致铁耗较大，增大了它在总损耗中的百分比，因此分析铁耗同样值得关注。

本文中主要是分析各部位磁密，得到材料在不同频率下的损耗曲线之后，将其导入有限元软件中，采用有限元分析法对电机铁耗进行估算。

根据文献，推导公式，得到新的计算公式即单位损耗为单位磁滞损耗和单位涡流损耗之和，数学表达式如下

所示：

P=Pr+P'Φ=σrfB2+σΦ（?fB）2

式中：

σr——钢片损耗常数

ρ——材料的电阻率

γ——密度

采用上述计算公式，由于电机额定转速为110r/min，给出40Hz下材料B-P曲线，如下图5所示。然后将上述所得的B-P曲线输入到电机仿真模型中，仿真过程会对电机每个单元进行铁损进行计算，然后进行相加，最后得到电机总的铁损数值。仿真计算结果如后面实例计算表格中得到的数值。

图5 B-P曲线

6 试验研究分析

以一台110kW极数48/36额定转速110r/min双凸极电机为例，进行负载测试和铁耗测试。下图6为生产的样机。

图6 110kW电励磁双凸极测试样机

双凸极电机负载状况下，通过测试仪器，得到的实验数据。其中测得的铁耗为已经除去了风阻损耗、铜耗与附加损耗的结果。将实验结果与仿真结果进行了对比，如表4和表5所示：

从表4和表5中可以看出，仿真数值比实验结果小，存在的误差大小在接受的范围内。这是由于得到的BP曲线存在一定误差，特别是当磁密变大时，误差也变大。

7 结语

本文中利用有限元分析软件，建立电机合理的有效模型、电路模型，并根据公式得到电机在一定频率下的B-P曲线，再将曲线导入软件中进行计算，计算过程中充分考虑了电机各部分的磁密分布，计算了负载消耗功率和每一个单元的损耗，然后以此为基础，最终计算出电机的铁心损耗。在计算结果中，由于外界有关因素的限制，导致测得的结果存在一定的不确定性，而计算机仿真为理想条件，所以二者结果存在一定的误差，经过比较对比误差在可接受范围内，证明了此方法来计算电机的负载功率和铁耗可行性。

参考文献

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（责任编辑：秦逊玉）