偏轉(zhuǎn)式雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的電磁分析計(jì)算

李 爭(zhēng)，王 鑫，薛智宏，王迪鑫，王群京

(1.河北科技大學(xué)，石家莊 050018；2.安徽大學(xué) 高節(jié)能電機(jī)及控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601)

0 引 言

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為一種新型發(fā)電機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起動(dòng)風(fēng)速低、發(fā)電效率高、輸出電能穩(wěn)定、易于整流儲(chǔ)存、容錯(cuò)性好等優(yōu)良性能，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。雙定子結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)精度高、響應(yīng)快、加速度大、過載能力高、機(jī)械集成度高，在發(fā)電機(jī)體積和外界風(fēng)速一定的情況下，可以提高工作效率，提升系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)性能[1]。

本文根據(jù)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的特性，結(jié)合以往的可偏轉(zhuǎn)多自由度電機(jī)，提出一種可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)新型結(jié)構(gòu)。其主要特征在于采用雙定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子雙側(cè)具有齒槽式結(jié)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，可提高發(fā)電機(jī)的工作效率；同時(shí)可以利用液壓控制臺(tái)自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，以適用于不同的風(fēng)向環(huán)境[2]。與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、占用空間小、效率高、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)良性能[3]。本文針對(duì)該發(fā)電機(jī)的電感、磁鏈、電壓和電流進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模分析與有限元法分析，并搭建了雙定子結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的外電路模型，進(jìn)行瞬態(tài)仿真，分析了轉(zhuǎn)子外側(cè)氣隙磁場(chǎng)特性。

1 可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型和控制原理

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸

可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特征在于雙定子和轉(zhuǎn)子，雙定子結(jié)構(gòu)分為外定子和內(nèi)定子。發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

該發(fā)電機(jī)外定子直接固定在外定子殼上，內(nèi)定子通過內(nèi)定子軸固定安裝在內(nèi)定子支架上。轉(zhuǎn)子上連接有轉(zhuǎn)子軸筒，軸筒為雙側(cè)軸式結(jié)構(gòu)，在其兩側(cè)均連接有液壓控制臺(tái)的關(guān)節(jié)軸承，通過控制液壓臺(tái)的位置，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸筒在一定范圍內(nèi)的多自由度偏轉(zhuǎn)[4]。

圖2(a)為該發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中外定子鐵心內(nèi)側(cè)輪廓為凹面球狀，內(nèi)定子鐵心外側(cè)輪廓為凸面球狀，兩者均設(shè)有12個(gè)定子齒極且為齒槽式結(jié)構(gòu)，線圈采用集中式繞組分布在外定子和內(nèi)定子的齒極上。轉(zhuǎn)子位于外定子和內(nèi)定子之間，內(nèi)外側(cè)輪廓分別為凹面球狀和凸面球狀，與定子結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)外表面均設(shè)有8個(gè)轉(zhuǎn)子齒極，轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無分布繞組。圖2(b)為內(nèi)部轉(zhuǎn)子向發(fā)電機(jī)軸向方向偏轉(zhuǎn)7.5°的剖面圖，可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

(a) 結(jié)構(gòu)圖

(b) 剖面圖

圖2 發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制機(jī)理

根據(jù)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，可以近似將其看作是由內(nèi)、外兩個(gè)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)構(gòu)成，內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子組成一臺(tái)外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，外定子、內(nèi)轉(zhuǎn)子組成一臺(tái)內(nèi)轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)[5]。該發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)子位置傳感器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁和發(fā)電續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換。圖3為發(fā)電機(jī)發(fā)電原理圖。以外定子A相繞組為例，當(dāng)主開關(guān)S1，S2導(dǎo)通時(shí)，A相繞組中產(chǎn)生電流，之后關(guān)斷主開關(guān)，由于繞組中的電流不會(huì)立即消失，電感中儲(chǔ)存的能量將會(huì)循續(xù)流二極管VD1，VD2繼續(xù)導(dǎo)通，并向負(fù)載或電源回饋電能，使電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)[6]。

圖3 發(fā)電機(jī)發(fā)電原理圖

與普通開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)不同，由于該發(fā)電機(jī)是內(nèi)外雙定子結(jié)構(gòu)，因此控制電路更加復(fù)雜。這里采取兩套外控電路分別連接內(nèi)定子繞組和外定子繞組，外定子繞組為A，B，C三相，與之相對(duì)應(yīng)的內(nèi)定子繞組分別為D，E，F(xiàn)三相。圖4為發(fā)電機(jī)控制電路，承擔(dān)著勵(lì)磁功率輸入與發(fā)電功率輸出的雙重任務(wù)，采用他勵(lì)工作模式，確保能提供穩(wěn)定的勵(lì)磁電壓[7]。其中勵(lì)磁電壓源Uc為100 V，二極管VD1，VD2，VD5，VD6，VD9，VD10確保勵(lì)磁階段電源向繞組供電，其余的二極管則為電感儲(chǔ)存能量向負(fù)載供電提供通道[8]。S1～S6是6個(gè)導(dǎo)通開關(guān)，由驅(qū)動(dòng)電路控制其導(dǎo)通順序。設(shè)定外定子驅(qū)動(dòng)電路每相的脈沖寬度為10°，整個(gè)周期為45°(A相開通角10°，關(guān)斷角20°；B相開通角25°，關(guān)斷角35°)。同理，內(nèi)定子驅(qū)動(dòng)電路與外定子相同，只是導(dǎo)通角度滯后7.5°，這樣當(dāng)外定子齒極軸線與轉(zhuǎn)子齒極軸線重合時(shí)(位置角度為 0°，稱為對(duì)齊位置)，內(nèi)定子齒極軸線與轉(zhuǎn)子槽軸線重合(位置角度為 7.5°，稱為不對(duì)齊位置)。

圖4 發(fā)電機(jī)控制電路

2 可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)作為磁阻類電機(jī)，電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，由于其自身的工作原理和電機(jī)結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中存在磁路飽和和非線性的情況，從而會(huì)使發(fā)電機(jī)的電感、磁鏈和相電流等物理量，隨著轉(zhuǎn)子位置角的變化作周期性變化，發(fā)電機(jī)內(nèi)定子繞組和外定子繞組交替通電，決定了內(nèi)外氣隙磁密、電流和電壓都是脈動(dòng)性質(zhì)的，存在波形不規(guī)則等問題[9]。發(fā)電機(jī)可控變量多，工作狀態(tài)復(fù)雜多變，因此通過建立線性數(shù)學(xué)模型對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析計(jì)算。

2.1 電感線性分析

根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角對(duì)電感曲線進(jìn)行區(qū)域劃分，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)用線性化的曲線近似代替原曲線，從而簡(jiǎn)化發(fā)電機(jī)的電感和電流分析[10]。

該發(fā)電機(jī)一個(gè)導(dǎo)電周期內(nèi)的電感線性曲線如圖5所示。

圖5 線性模型下電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系

以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子凹槽中心線與定子凸極中心線重合的位置θ1作為起始點(diǎn)，θ2為轉(zhuǎn)子齒極前沿與定子齒極前沿重合時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角，此時(shí)電感由最小值開始上升，上升到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的前沿與定子的后沿重合時(shí)，即θ3位置角，此時(shí)電感達(dá)到最大值Lmax并停止上升；θ4為轉(zhuǎn)子后沿與定子前沿重合時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角，之后電感開始下降；在區(qū)間θ3～θ4內(nèi)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子齒極部分始終重合，磁阻最小，電感保持最大值Lmax不變；θ5為轉(zhuǎn)子齒極后沿與定子齒極后沿重合時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角，電感下降到最小值Lmin，即下一周期θ1的轉(zhuǎn)子位置角；在區(qū)間θ1～θ2，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒極與定子齒極沒有重合部分，磁阻最大，電感保持最小值Lmin不變，如此循環(huán)重復(fù)下去。因此得出發(fā)電機(jī)的電感L(θ)與轉(zhuǎn)子位置角θ的關(guān)系式如下：

2.2 電壓方程和相繞組磁鏈特性分析

根據(jù)該發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的對(duì)稱性，以其中的A相為例對(duì)其進(jìn)行分析。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角在θ=θon時(shí)，開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角在θ=θoff時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，此區(qū)間為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁階段，電壓方程：

Ua=-Ea+iaRa

(2)

式中：Ea為A相繞組電勢(shì)；ia為繞組相電流；Ra為A相繞組電阻。

當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ>θoff時(shí)，此時(shí)發(fā)電機(jī)為回饋發(fā)電階段，電壓方程：

-Ua=-Ea+iaRa

(3)

理想線性模型下的相繞組磁鏈為ψa=Lia，因此，相應(yīng)的A相繞組電勢(shì)：

(4)

由式(2)～式(4)可得電壓方程：

(5)

忽略發(fā)電機(jī)繞組上的電阻壓降，可得：

(6)

(7)

從式(7)中可以看出，在A相導(dǎo)通時(shí)，即Ua=Us(Us為發(fā)電機(jī)外接電源電壓)，若保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度ω不變，則相繞組磁鏈ψa將會(huì)隨轉(zhuǎn)子位置角θ的變化以恒定的比率變化。當(dāng)控制開關(guān)管的脈沖電壓源開通(θ=θon)，此時(shí)相繞組為正向電源電壓，磁鏈從零開始逐漸上升；當(dāng)脈沖電壓源關(guān)斷(θ=θoff)，此時(shí)相繞組為反向電源電壓，磁鏈上升到最大值，然后下降至零。

圖6為一個(gè)電感變化周期內(nèi)的相繞組磁鏈曲線。

圖6 電感變化周期內(nèi)的相繞組磁鏈?zhǔn)疽鈭D

θ=θon時(shí)，ψa= 0，Ua=Us，從而得到θon≤θ≤θoff期間的磁鏈方程：

(8)

θ=θoff時(shí)，ψa=ψmax，Ua=-Us，得到θoff≤θ≤2θoff-θon期間磁鏈方程：

(9)

當(dāng)θ=2θoff-θon時(shí)，相繞組磁鏈衰減至零，直到下一個(gè)周期。

2.3 相電流特性分析

圖7為發(fā)電機(jī)相電流曲線，θon和θoff分別是脈沖電壓源的開通角和關(guān)斷角。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ位于θ2～θ3之間時(shí)，發(fā)電機(jī)控制電路功率開關(guān)管導(dǎo)通，相繞組開始通電，在這段區(qū)間內(nèi)，電感L呈線性上升趨勢(shì)，此時(shí)電感L=Lmax-K(θ3-θ)，Ua前取“+”，初始條件為θ=θon，i=i(θ0)=0，由此可得相電流ia表達(dá)式：

(10)

此階段內(nèi)相電流從零開始上升，但上升速度緩慢，此期間吸收的電能,一部分用作發(fā)電機(jī)的機(jī)械能輸出,另一部分作為磁場(chǎng)能儲(chǔ)存起來。

圖7 電感變化周期內(nèi)的相電流示意圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ位于θ3～θ4之間時(shí)，在這段區(qū)間內(nèi)發(fā)電機(jī)電感保持最大值Lmax不變，Ua前取“+”，初始條件為θ0=θ3，i=i(θ3)=Ua(θ3-θon)/(ωLmax)，此階段內(nèi)相電流上升速度較快，吸收的電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能。電流ia表達(dá)式：

(11)

當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ位于θ4～θoff之間時(shí),此時(shí)電感呈線性下降趨勢(shì)，電感L=Lmax-K(θ-θ4)，Ua前取“+”，初始條件為θ0=θ4，i=i(θ4)=Ua(θ4-θon)/(ωLmax)，電流ia表達(dá)式：

(12)

通過式(12)可以看出，此階段電流上升的速度比前一階段更快，吸收的電能和機(jī)械能均轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能，磁場(chǎng)能量的儲(chǔ)存與此階段的導(dǎo)通時(shí)間和勵(lì)磁強(qiáng)度相關(guān)，若要增加輸出電能，可以適當(dāng)增加此階段的長(zhǎng)度。

當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ位于θoff～θ5之間時(shí),此時(shí)電感呈線性下降趨勢(shì)，L=Lmax-K(θ-θ4)，由于開關(guān)管已關(guān)斷，故Ua前取“-”，初始條件為θ0=θoff，i=i(θoff)=Ua(θoff-θon)/[Lmax-K(θoff-θ4)]，電流ia表達(dá)式：

(13)

在此區(qū)間內(nèi)，電源電壓Ua與發(fā)電機(jī)相繞組的感應(yīng)電壓方向一致，因此相電流會(huì)在前一階段的基礎(chǔ)上繼續(xù)上升，此區(qū)間是發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的有效階段[11-12]。

當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ位于下一周期的θ1～θ2之間時(shí)，在這段區(qū)間內(nèi)發(fā)電機(jī)電感保持最小值Lmin不變，Ua前取“-”，初始條件為θ0=θ1，i=i(θ1)=Ua(2θoff-θon-θ1)/(ωLmin)，此階段相電流下降速率較快，電流ia表達(dá)式：

(14)

當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角θ位于下一周期的θ2～θ3之間時(shí)，此區(qū)間電感L值呈線性上升趨勢(shì)，電感L=Lmin+K(θ-θ2)，Ua前仍取“-”，初始條件為θ0=θ2，i=i(θ2)=Ua(2θoff-θon-θ1)/{ω[Lmin+K(θ-θ2)]}，此階段內(nèi)相電流持續(xù)下降，直至轉(zhuǎn)子位置角為2θoff-θon時(shí)，相電流衰減為0，電流ia表達(dá)式：

(15)

至此是一個(gè)周期內(nèi)的相電流變化情況，其中前3個(gè)階段為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁時(shí)的電流變化情況，后3個(gè)階段為發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)的電流變化情況。根據(jù)以上分析可知，發(fā)電機(jī)的發(fā)電過程主要是由勵(lì)磁階段來控制。

3 可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的有限元分析

前面通過建立可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，采用解析法主要對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓、磁鏈和相電流進(jìn)行了理論推導(dǎo)，得到相應(yīng)的解析式。利用電磁分析計(jì)算軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證解析法的分析結(jié)果[13-15]。為了進(jìn)一步分析發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)性能，對(duì)該電機(jī)內(nèi)外氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真，得到了發(fā)電機(jī)二維磁場(chǎng)分布圖和三維氣隙磁密分布情況并對(duì)其加以分析。

3.1 磁路結(jié)構(gòu)

與普通結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)相比，可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化。圖8、圖9分別為雙定子結(jié)構(gòu)和普通結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)導(dǎo)通時(shí)刻的二維磁力線分布圖。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，雙定子結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的磁力線由兩部分組成，一部分磁力線從電機(jī)外定子發(fā)出，經(jīng)過外氣隙到達(dá)內(nèi)轉(zhuǎn)子之后沿著與之極性相反的同相返回外定子，形成閉合回路；另一部分磁力線則從電機(jī)內(nèi)定子發(fā)出，經(jīng)過內(nèi)氣隙到達(dá)外轉(zhuǎn)子之后沿著與之極性相反的同相返回內(nèi)定子。而普通結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，磁力線從定子齒極到轉(zhuǎn)子齒極所形成的閉合回路只需經(jīng)過一個(gè)氣隙，無內(nèi)外雙定子結(jié)構(gòu)且轉(zhuǎn)子不存在雙側(cè)齒極錯(cuò)位問題。

圖8 雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)

圖9 普通開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)

圖10為雙定子結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下的二維磁通密度標(biāo)量云圖?？梢钥闯?，此時(shí)內(nèi)定子與轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)齒極軸線完全重合，而外定子齒極只有部分重合。其中內(nèi)定子處于導(dǎo)通狀態(tài)的4個(gè)齒極磁密最大，且峰值位于內(nèi)定子的齒極與軛部交界處，約為1.26 T。

圖10 雙定子發(fā)電機(jī)磁密標(biāo)量云圖

3.2 氣隙磁密分析

由于該發(fā)電機(jī)為雙定子結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)和外側(cè)均存在氣隙，以轉(zhuǎn)子外側(cè)氣隙為例，在發(fā)電機(jī)自轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行分析?？紤]到發(fā)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和氣隙磁場(chǎng)的分布形式，采用如圖11所示的球坐標(biāo)系建立氣隙磁場(chǎng)模型,P點(diǎn)為轉(zhuǎn)子外側(cè)氣隙磁場(chǎng)中的任意一點(diǎn)。圖12為球坐標(biāo)系下該發(fā)電機(jī)在自轉(zhuǎn)情況下外側(cè)氣隙磁場(chǎng)磁密三維分布圖。其中圖12(a)為外氣隙磁場(chǎng)磁通密度B沿空間角度φ，θ變化的分布圖，圖12(b)、圖12(c)、圖12(d)分別是外氣隙磁場(chǎng)磁密的r，φ，θ分量在球坐標(biāo)系下隨空間角度φ，θ變化的空間三維分布圖。

圖11 角度定義示意圖

(a) 磁密B

(b) 磁密分量Br

(c) 磁密分量Bφ

(d) 磁密分量Bθ

圖12雙定子發(fā)電機(jī)自轉(zhuǎn)外氣隙磁場(chǎng)磁密三維分布圖

如圖12(a)所示，φ取值范圍為0～360°，對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)自轉(zhuǎn)一周，B隨φ的變化周期為180°，最大值出現(xiàn)在φ=40°與220°附近，對(duì)應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒極與外定子齒極對(duì)齊的位置，此時(shí)磁阻最小，磁密最大，最大值為0.7 T。氣隙磁密B隨θ的變化周期為60°，在一個(gè)變化周期內(nèi)，B的變化曲線呈矩形分布，對(duì)應(yīng)于磁力線N極發(fā)出，流向同相相鄰兩側(cè)的S極。圖12(b)～圖12(d)中徑向磁密Br在θ方向上的變化與磁密B有著相同分布趨勢(shì)，只是幅值略小，為0.5 T, 在φ變化區(qū)間內(nèi)周期為180°，一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)兩處波峰，分別在30°和120°附近；氣隙磁場(chǎng)磁密φ向分量Bφ的幅值整體較小，約為0.1 T，分布趨勢(shì)不明顯；氣隙磁場(chǎng)磁密θ向分量Bθ在φ方向上的變化與Br相同，在θ方向上-60°～0的區(qū)間內(nèi)呈矩形波，幅值為0.35 T，0～60°的區(qū)間內(nèi)幅值由0.15 T逐漸減小至0。由此可以看出，發(fā)電機(jī)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子外側(cè)氣隙磁場(chǎng)主要由徑向分量Br與θ向分量Bθ構(gòu)成。

當(dāng)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞著y方向偏轉(zhuǎn)10°時(shí)，得到如圖13所示的球坐標(biāo)系下該發(fā)電機(jī)在偏轉(zhuǎn)情況下外側(cè)氣隙磁場(chǎng)磁密三維分布圖。圖13(a)的外氣隙磁場(chǎng)磁通密度B與自轉(zhuǎn)情況下整體磁密B的分布周期相同，只是在φ方向上的變化波峰的位置發(fā)生了變化，出現(xiàn)在150°和330°附近。圖13(b)～圖13(d)的徑向磁密Br與自轉(zhuǎn)情況相比，明顯在θ方向上由0～60°的矩形波減小至0～40°，幅值無明顯變化；氣隙磁場(chǎng)磁密φ向分量Bφ同樣在θ方向上由0～60°的區(qū)間內(nèi)發(fā)生了變化，幅值由0.1 T增大到0.18 T; 氣隙磁場(chǎng)磁密θ向分量Bθ則在θ方向上由0～60°的區(qū)間內(nèi)幅值減小到幾乎為0，相反在-60°～0的區(qū)間內(nèi)，幅值由自轉(zhuǎn)時(shí)的0.35 T增大到0.45 T。

(a) 磁密B

(b) 磁密分量Br

(c) 磁密分量Bφ

(d) 磁密分量Bθ

圖13雙定子發(fā)電機(jī)偏轉(zhuǎn)外氣隙磁場(chǎng)磁密三維分布圖

3.3 仿真結(jié)果

原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為200r/min，給外定子線圈和內(nèi)定子線圈分別接380 V和100 V的直流電壓源，并各帶負(fù)載1 kΩ，發(fā)電機(jī)控制開關(guān)管的脈沖電壓源周期采用位置控制方式，其中內(nèi)定子線圈D，E，F(xiàn)三相的導(dǎo)通角度分別滯后外定子線圈A，B，C三相7.5°，驅(qū)動(dòng)電路每相脈沖寬度為10°，轉(zhuǎn)子位置角從0旋轉(zhuǎn)至180°，得到此區(qū)間雙定子發(fā)電機(jī)的繞組輸出電流波形如圖14所示，負(fù)載電流波形如圖15所示。從圖14可以看出，發(fā)電機(jī)的相電流波形隨時(shí)間變化為三角波波形，外定子三相和內(nèi)定子三相的一個(gè)變化周期近似為12.5 ms，每相電流峰值在26 A左右。圖15中I1代表內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流，在1.6～1.75 A范圍內(nèi)波動(dòng)，I2代表外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流，在0.45～0.6 A范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖14 雙定子發(fā)電機(jī)自轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電流波形

圖15 雙定子發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流

圖16為可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的電壓輸出波形?？梢钥闯?，圖中矩形波為發(fā)電機(jī)外定子繞組和內(nèi)定子繞組施加的380 V和100 V的正向起勵(lì)電壓，負(fù)向的為輸出電壓，對(duì)應(yīng)圖中類似三角波部分。其中外定子線圈A，B，C三相的輸出電壓幅值約為1.5 kV，內(nèi)定子線圈D，E，F(xiàn)三相的輸出電壓幅值相對(duì)較小，約為0.55 kV。

圖16 雙定子發(fā)電機(jī)自轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電壓波形

圖17、圖18分別是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向偏轉(zhuǎn)7.5°時(shí)，繞組輸出電流波形圖和電壓波形圖?？梢钥闯觯l(fā)電機(jī)在偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下的輸出電流和電壓波形與自轉(zhuǎn)情況下基本一致，只是幅值發(fā)生了變化。其中外定子線圈A，B，C三相的電流峰值約為19 A，輸出電壓為1.3 kV，內(nèi)定子線圈D，E，F(xiàn)三相的電流峰值約為9 A，輸出電壓為0.3 kV。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)之后，定轉(zhuǎn)子齒極間的有效接觸面積減小，磁阻增大，因此輸出電流和電壓會(huì)減小。

圖17 雙定子發(fā)電機(jī)偏轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電流波形

圖18 雙定子發(fā)電機(jī)偏轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電壓波形

為了說明雙定子結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的優(yōu)良性能，以發(fā)電機(jī)的內(nèi)電機(jī)(內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè))結(jié)構(gòu)參數(shù)為依據(jù)，給普通結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)設(shè)置相同的參數(shù)，得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°的電流波形如圖19所示。與圖14對(duì)比可以看出，每相電流的波形無明顯變化，電流峰值約為17 A，大于偏轉(zhuǎn)式雙定子發(fā)電機(jī)的內(nèi)定子繞組輸出電流。雖然單側(cè)定子的輸出電流值相對(duì)較小，但是若使內(nèi)外定子繞組處于同時(shí)發(fā)電狀態(tài)，不僅可以保證輸出電流的連續(xù)性，而且提高了發(fā)電機(jī)的工作效率。

圖19 普通發(fā)電機(jī)輸出電流波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種新型開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，該發(fā)電機(jī)采用內(nèi)外雙定子，利用液壓升降臺(tái)控制轉(zhuǎn)子多自由度偏轉(zhuǎn)，滿足不同風(fēng)向的要求，提高了發(fā)電機(jī)的工作效率。系統(tǒng)地闡述了該發(fā)電機(jī)的工作原理及控制機(jī)理，通過建立該發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電感變化做線性化處理，計(jì)算了一個(gè)電感變化周期內(nèi)的磁鏈、電壓和電流。同時(shí)，利用有限元法對(duì)可偏轉(zhuǎn)雙定子開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的磁力線以及轉(zhuǎn)子外側(cè)氣隙的磁場(chǎng)特性進(jìn)行了分析，得到輸出電壓、電流特性。與普通結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的輸出特性相比，雙定子結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在輸出電流上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，從而可以繼續(xù)對(duì)該發(fā)電機(jī)的其它特性做相關(guān)研究。