深槽式籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的仿真分析

胡 堃，何鳳有，薛 冰

(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221008)

0 引 言

無刷雙饋電機(jī)(以下簡稱BDFM)是一種新型交流電機(jī)，它結(jié)構(gòu)特殊，沒有電刷和滑環(huán)，具有同步電機(jī)的運(yùn)行性能，可調(diào)節(jié)功率因數(shù)和四象限運(yùn)行能力，可以工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)又可工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。無刷雙饋電機(jī)在調(diào)速運(yùn)行時(shí)只需要轉(zhuǎn)差容量大小的變頻器，所以調(diào)速成本相對較低;工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，方便實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的靈活調(diào)節(jié);而工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，功率繞組和控制繞組的頻率和通電相序決定了它的轉(zhuǎn)速，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小無關(guān)，所以它的機(jī)械特性較硬，因此無刷雙饋電機(jī)的應(yīng)用越來越受重視。

BDFM的效率和運(yùn)行性能和轉(zhuǎn)子的磁場極數(shù)轉(zhuǎn)換效率有直接關(guān)系，所以為了提高磁場極數(shù)的轉(zhuǎn)換效率，許多學(xué)者對BDFM的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，設(shè)計(jì)出了多種適合BDFM運(yùn)行需要的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，典型代表有環(huán)狀籠型轉(zhuǎn)子和凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子，如圖1所示。對這兩類轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析對比發(fā)現(xiàn)，凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁場極數(shù)轉(zhuǎn)換效率高，而籠型轉(zhuǎn)子的磁場極數(shù)轉(zhuǎn)換效率較低［1］，但凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能單饋異步運(yùn)行［2］，而籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，且能在變頻器發(fā)生故障時(shí)，可以斷開控制繞組電源，僅由功率繞組提供電能，進(jìn)行單饋異步運(yùn)行，可靠性和安全性高。

綜合上述兩類轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本文以控制繞組為2極(pc=1)，功率繞組為6極(pp=3)的新型深槽式籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)和凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)為例，利用Ansoft軟件對其進(jìn)行建模仿真，計(jì)算出電機(jī)磁力線分布，氣隙磁密各次諧波含量并對兩者仿真結(jié)果進(jìn)行分析對比，得出此新型深槽式籠型轉(zhuǎn)子具有優(yōu)良的磁場調(diào)制能力，可以完全替代結(jié)構(gòu)復(fù)雜的凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子。深槽式籠型轉(zhuǎn)子的提出為BDFM優(yōu)化設(shè)計(jì)開辟了新方向，為電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本原理

無刷雙饋電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)由定子、轉(zhuǎn)子、公共磁路組成，兩套不同極對數(shù)的三相對稱繞組安裝在定子側(cè)，3對極的功率繞組接工頻電源，1對極的控制繞組接可逆變頻器，如圖2所示［3］。

圖2 無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)

工頻電源提供電功率，改變可逆變頻器的頻率，改變控制繞組中電流頻率，從而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速表達(dá)式［4］:

“+”表示功率繞組和控制繞組產(chǎn)生相同相序的旋轉(zhuǎn)磁勢，“－”表示功率繞組和控制繞組產(chǎn)生相反相序的旋轉(zhuǎn)磁勢［5］。

當(dāng)定子功率繞組與控制繞組分別連接頻率為fp和fc的三相對稱交流電壓時(shí)，產(chǎn)生三相對稱交流電流，在電機(jī)磁路中建立兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場，定子中這兩個(gè)極對數(shù)不同的空間磁場不能直接耦合，需要通過特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行間接耦合，與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流形成的磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子磁場需要進(jìn)行極對數(shù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換才能與定子磁場相匹配，最終形成穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，所以轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)具備“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”的功能，轉(zhuǎn)換的效率越高，電機(jī)的性能就越好。BDFM轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)換是利用轉(zhuǎn)子諧波磁場來實(shí)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)換程度由對應(yīng)磁場的諧波含量決定，對應(yīng)磁場的諧波含量越高，轉(zhuǎn)換效率就越好，而其它各次諧波磁通會(huì)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)諧波電勢，產(chǎn)生諧波電流，建立諧波磁場，會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，增加電機(jī)損耗，所以需要除有用的諧波含量高以外，其他各次諧波含量越少越好。

2 深槽式籠型轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

凸極加導(dǎo)條結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路不對稱，直軸d方向磁阻小，交軸q方向磁阻大，產(chǎn)生了交直軸方向的磁阻差別。功率繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢作用在不對稱的轉(zhuǎn)子磁路上，會(huì)產(chǎn)生與控制繞組相同極數(shù)的諧波磁場;同樣控制繞組也產(chǎn)生與功率繞組相同極數(shù)的諧波磁場。所以通過磁路的不對稱性來調(diào)制兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢的能量轉(zhuǎn)換，所以電機(jī)效率高。

籠型轉(zhuǎn)子BDFM的轉(zhuǎn)子磁路對稱，它的磁場極數(shù)轉(zhuǎn)換不能通過磁路不對稱性來調(diào)制，其轉(zhuǎn)子電路分別由pp+pc個(gè)環(huán)狀電路組成，它是依靠轉(zhuǎn)子電流的不對稱分布來產(chǎn)生諧波磁場，完成磁場極數(shù)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換效率不高。

深槽式籠型轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)是基于籠型轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上，在轉(zhuǎn)子上額外增加pp+pc個(gè)轉(zhuǎn)子深槽，依靠這些轉(zhuǎn)子深槽將轉(zhuǎn)子劃分為pp+pc個(gè)磁極，將磁路不對稱特性加到籠型轉(zhuǎn)子中，這樣既保留了結(jié)構(gòu)簡單可靠，能單饋異步運(yùn)行的籠型轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn);又提高了它的磁場轉(zhuǎn)換效率。在這里取控制繞組極對數(shù)pc=1，功率繞組極對數(shù)pp=3，所以圖3中的深槽數(shù)為4。

圖3 深槽式籠型轉(zhuǎn)子BDFM

3 BDFM建模與仿真

利用Ansoft軟件的二維瞬態(tài)場建立電機(jī)的Maxwell－2D模型，因?yàn)锽DFM內(nèi)部磁場不對稱，所以求解域選取整個(gè)電機(jī)截面。為了比較深槽式籠型轉(zhuǎn)子和凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子磁場調(diào)制效果，使其定子鐵心與定子繞組參數(shù)完全相同，并且對其所施加的激勵(lì)也完全相同，它們的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 BDFM結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過Ansoft有限元計(jì)算得出兩種轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁力線分布如圖4所示。由圖4c可以看出，轉(zhuǎn)子的極數(shù)是4極，符合BDFM極數(shù)調(diào)制原則，使轉(zhuǎn)子具有pp+pc個(gè)對稱極數(shù)，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。

再利用Ansoft的后處理命令可以求出兩種轉(zhuǎn)子各自的氣隙磁密波形如圖5、圖6所示。

利用MATLAB軟件編程出計(jì)算函數(shù)對圖5、圖6的磁通密度波進(jìn)行傅里葉分解，得到兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)BDFM的氣隙磁通各次諧波含量如圖7、圖8所示。因?yàn)榭刂评@組極對數(shù)pc=1，功率繞組極對數(shù)pp=3，因此基波和3次諧波是具有機(jī)電能量轉(zhuǎn)換作用的有效次諧波，這兩種諧波所占的比重越大，其它無效次諧波所占的比重越小，則磁場調(diào)制效果越好［6］。

從圖7、圖8可見，當(dāng)控制繞組勵(lì)磁時(shí)，氣隙磁通除了含有基波磁通，還含有大量和功率繞組相同極對數(shù)的3次諧波磁通，凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子和深槽式籠型轉(zhuǎn)子的幅值都達(dá)到基波幅值的48%左右，但深槽式籠型轉(zhuǎn)子的其它無效次諧波磁通含量較凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子少;當(dāng)功率繞組勵(lì)磁時(shí)，氣隙磁通中除含有極對數(shù)為3的基波磁通外，還含有大量與控制繞組相同極對數(shù)的諧波磁通，深槽式籠型轉(zhuǎn)子的幅值達(dá)到基波幅值的60%，而凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子的幅值只達(dá)到基波幅值的51%，并且深槽式籠型轉(zhuǎn)子的其它無效次諧波磁通含量也較凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子少。

綜上所述，深槽式籠型轉(zhuǎn)子BDFM對磁場極數(shù)調(diào)制作用比凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子BDFM對磁場極數(shù)調(diào)制作用好，即磁場極數(shù)的相互轉(zhuǎn)換的效率較高，并且無效次諧波磁通含量也較少，因此電機(jī)效率也較高。

4 結(jié) 語

在綜合籠型轉(zhuǎn)子和凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Ansoft軟件對一種新型深槽式籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)進(jìn)行建模仿真，經(jīng)過分析對比發(fā)現(xiàn)，深槽式籠型轉(zhuǎn)子BDFM對磁場極數(shù)的調(diào)制作用比凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子BDFM對磁場極數(shù)的調(diào)制作用效果好，由于籠型轉(zhuǎn)子的磁場極數(shù)轉(zhuǎn)換效率比凸極加導(dǎo)條轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁場極數(shù)轉(zhuǎn)換效率要低，因此深槽式籠型轉(zhuǎn)子BDFM的提出極大地提高了籠型轉(zhuǎn)子對磁場的轉(zhuǎn)換效率?？梢?，深槽式籠型轉(zhuǎn)子BDFM同時(shí)具有磁場極數(shù)轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)簡單結(jié)實(shí)，能單饋異步運(yùn)行，運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對無刷雙饋電機(jī)的應(yīng)用研究具有參考價(jià)值。

［1］ 王鳳翔，張鳳閣，徐隆亞.不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子磁耦合作用的對比分析［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，1999，3(2):113－116.

［2］ 鄧先明.無刷雙饋電機(jī)的電磁分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］ Williamson S，F(xiàn)erreira A C，Wallace A K.Generalised theory of the brushless doubly － fed machine.Part 1:Analysis［J］.IEE Proc E-lectrical Power Applications，1997，144(2):111 －122.

［4］ 鄧先明，姜建國.無刷雙饋電機(jī)的工作原理及電磁設(shè)計(jì)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(11):126 －132.

［5］ 胡堃，伍小杰，鄧先明.無刷雙饋電機(jī)的工作特性測試［J］.煤礦機(jī)械，2007，28(6)，60 －63.

［6］ 王鳳翔，張鳳閣.磁場調(diào)制式無刷雙饋交流電機(jī)［M］.長春:吉林大學(xué)出版社，2004.

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