不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機的電磁和動態(tài)特性分析

胡 堃，樊 貝，薛 冰

(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221008)

0引 言

無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)是近年來發(fā)展起來的一種新型交流感應(yīng)電機［1］。其定子鐵心中一般放置有兩套獨立的繞組;轉(zhuǎn)子基本可分為兩大類，即籠型轉(zhuǎn)子和磁阻轉(zhuǎn)子，兩種轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制機理不同。BDFM既可以作為交流調(diào)速電機，又能作為變速恒頻發(fā)電機，且易于調(diào)節(jié)電機的有功功率和無功功率［2］。由于實現(xiàn)了無刷化，減小了維護的成本，提高了電機的可靠性。BDFM的控制繞組只承擔(dān)了整個電機容量的一小部分功率，所以變頻器的容量也相對減小。同時BDFM可以實現(xiàn)異步運行、亞同步、超同步等多種運行方式，因此對BDFM進行深入的研究具有十分重要的意義［3-6］。

BDFM的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)直接影響定子兩套繞組之間的磁耦合，基本上決定了磁場調(diào)制作用的效果，同時轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，電機的動態(tài)特性也會相應(yīng)改變?，F(xiàn)有的文獻中，幾乎沒有對籠型轉(zhuǎn)子和磁障式磁阻轉(zhuǎn)子BDFM的牽入特性進行具體的對比分析，而且很多采用MATLAB/Simulink對BDFM的動態(tài)特性進行仿真，如文獻［9］、文獻［10］，都做了很多簡化和假設(shè)，如假設(shè)氣隙均勻，忽略定子槽的開口，只考慮基波磁動勢的影響等，而這些忽略的因素對分析電機的耦合場和動態(tài)特性有很大的影響。本文基于Ansoft/Maxwell 2D強大的電磁場有限元計算功能，設(shè)計了具有代表性的籠型轉(zhuǎn)子和磁障式磁阻轉(zhuǎn)子，分析對比了兩種轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制效果，為轉(zhuǎn)子的進一步優(yōu)化設(shè)計提供了參考。在此基礎(chǔ)上，利用Ansoft/Maxwell中的二維瞬態(tài)有限元計算法分析對比了兩種轉(zhuǎn)子的牽入特性和負載變化時的穩(wěn)定性，給出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩波形。

1 BDFM的工作原理

BDFM的結(jié)構(gòu)和工作原理在許多文獻中都有描述，例如文獻［3］中就有具體的敘述。本文為分析方便，在此對工作原理只做簡單介紹。該電機的基本結(jié)構(gòu)與普通電機的結(jié)構(gòu)相似，但又有所不同，其中定子繞組分為單繞組結(jié)構(gòu)和雙繞組結(jié)構(gòu)。在單繞組結(jié)構(gòu)中，控制繞組和功率繞組共用一套繞組。在雙繞組結(jié)構(gòu)中，定子鐵心中有功率和控制兩套獨立的繞組。功率繞組通入電網(wǎng)電源，極對數(shù)和頻率分別記為pp和fp;控制繞組則由變頻電源供電，極對數(shù)和頻率分別記為pc和fc。兩套定子繞組的極數(shù)通常不同，兩者之間沒有直接的電磁耦合作用，兩套繞組的耦合完全依靠轉(zhuǎn)子的調(diào)制［3］，其中轉(zhuǎn)子的極數(shù)為pr=pp+pc。當(dāng)電機運行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使定子繞組兩種不同極數(shù)的磁場相互耦合，從而實現(xiàn)電機的機電能量轉(zhuǎn)換。目前由于雙繞組設(shè)計容易實現(xiàn)和接線簡單，大部分采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計來仿真、實驗和研究，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 BDFM的基本結(jié)構(gòu)

通過對BDFM的磁動勢分析和數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)可知，BDFM穩(wěn)態(tài)運行時，其轉(zhuǎn)速n與兩套繞組電源頻率fp、fc和極對數(shù) pp、pc有關(guān)。其轉(zhuǎn)速 n表達式［3-10］:

由式(1)知，轉(zhuǎn)速n與變頻器的輸出頻率fc保持線性關(guān)系。當(dāng)fc=0時，BDFM運行在自然同步狀態(tài)下，此時BDFM具有普通同步電機的特性，調(diào)節(jié)控制繞組電流的幅值，就可以調(diào)節(jié)電機的功率因數(shù);當(dāng)fc≠0時，BDFM運行在雙饋調(diào)速狀態(tài)下，fc前取“+”時，表示通入兩套繞組的電流同相序［4］，BDFM工作在超同步狀態(tài);fc前取“-”時，表示通入兩套繞組的電流反相序，BDFM工作在亞同步狀態(tài)，此時通過調(diào)節(jié)控制繞組電流的幅值和相位，就可以實現(xiàn)功率因數(shù)、無功功率和有功功率的調(diào)節(jié);控制繞組短路時，BDFM的運行特性與異步電動機相似?？梢夿DFM工作在雙饋調(diào)速狀態(tài)時，其轉(zhuǎn)速只與控制繞組頻率fc有關(guān)，通過改變fc就可以方便地調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。

2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計

BDFM的轉(zhuǎn)子是整個電機設(shè)計最為關(guān)鍵的部分，因為不同極數(shù)的定子繞組磁場需要在轉(zhuǎn)子中進行調(diào)制，其調(diào)制能力的強弱直接影響到電機的耦合能力和功率密度等相關(guān)特性，因此轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)在BDFM的設(shè)計中十分重要?？紤]到定子兩套繞組的極對數(shù)之間的關(guān)系對磁場耦合的影響，為了避免共存于同一電機中的兩個不同極數(shù)的磁場產(chǎn)生不對稱磁拉力和電磁噪聲，要求:pp-pc≥2;為了減少和消除定子磁場的直接耦合，極對數(shù)需要滿足偶數(shù)倍或3 倍的關(guān)系［5］，即 pp=2kpc或 pp=3kpc，k=1，2，3，…。本文為了分析方便，綜合考慮，選擇功率繞組極數(shù)為6，控制繞組極數(shù)為2，即pr=4。本文BDFM定子部分完全相同，轉(zhuǎn)子模型(其中籠型轉(zhuǎn)子短路環(huán)在圖中未畫出)如圖2所示，具體參數(shù)如表1、表2所示。

圖2 BDFM轉(zhuǎn)子模型

表1 籠型轉(zhuǎn)子的設(shè)計參數(shù)

表2 磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的設(shè)計參數(shù)

3不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的BDFM的氣隙磁密分析

為了比較不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁場調(diào)制效果，在上述建立的BDFM模型的功率繞組中通入380V、50Hz的工頻電壓，控制繞組短接。利用Ansoft/Maxwell進行有限元電磁場計算，得到的磁力線如圖3所示，氣隙磁通密度波如圖4所示。

圖3 BDFM功率繞組勵磁時的磁力線

圖4 BDFM功率繞組勵磁時的氣隙磁通密度波

由機電能量轉(zhuǎn)換原理和pp=3，pc=1可知，當(dāng)功率繞組勵磁時，由圖3、圖4可以看出，在氣隙磁場中含有極對數(shù)為3的基波磁場和與控制繞組極對數(shù)相同的諧波磁場，這兩種諧波磁場是具有機電能量轉(zhuǎn)換作用的有效次諧波磁場［6-8］，故氣隙中這兩種諧波磁場含量的多少，直接關(guān)系到轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制效果的好壞。為了更清楚地說明氣隙諧波含量之間的關(guān)系，通過快速傅里葉變換，對氣隙磁通密度波進行諧波頻譜分析，以3次諧波為基準(zhǔn)(氣隙磁通諧波含量為100%)，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 BDFM功率繞組勵磁時氣隙磁通諧波含量

從圖5中可以得到，籠型轉(zhuǎn)子的基波含量為43%左右，磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的基波含量為64%左右，在相同條件下磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制效果比籠型轉(zhuǎn)子好。從圖5中也可以得出，磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的高次諧波也較小，所以產(chǎn)生的諧波電動勢也較小，電機損耗相對減少，可以提高電機效率。同時磁障式磁阻轉(zhuǎn)子上沒有繞組和導(dǎo)條，大大降低了轉(zhuǎn)子銅耗、磁滯損耗和渦流損耗，轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題，從而該種轉(zhuǎn)子可以作為BDFM轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計的一個方向。

4 BDFM動態(tài)特性仿真研究

BDFM在控制繞組不同的供電方式下，將運行在不同的狀態(tài)。其牽入能力直接關(guān)系到BDFM能否在不同的狀態(tài)之間穩(wěn)定地切換運行，包括由單饋異步到自然同步和單饋異步到亞同步、超同步三種情況。在實際應(yīng)用中，BDFM可能只工作在一種狀態(tài)下，但要實現(xiàn)自然同步、亞同步和超同步運行時，則必須要經(jīng)過上述牽入過程，所以對不同轉(zhuǎn)子BDFM的三種牽入過程和穩(wěn)定性進行研究很有必要。

籠型轉(zhuǎn)子的極數(shù)轉(zhuǎn)換是靠轉(zhuǎn)子電流來實現(xiàn)的［5］。狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，由于電抗的存在，轉(zhuǎn)子電流必然要經(jīng)過一個電氣調(diào)整過程，才能過渡到下一狀態(tài)，機電時間常數(shù)較大，而磁障式磁阻轉(zhuǎn)子依靠本身的磁阻作用來實現(xiàn)極數(shù)轉(zhuǎn)換，則不存在上述問題，故理論上磁障式磁阻轉(zhuǎn)子BDFM比籠型轉(zhuǎn)子BDFM的動態(tài)響應(yīng)能力快。為了便于比較分析，兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)BDFM的功率繞組中都通入380 V、50 Hz的交流電，其中籠型轉(zhuǎn)子BDFM在0．8 s時，采用“兩并一串”通入20 V直流電、60 V、10 Hz正反相序的交流電，磁障式磁阻轉(zhuǎn)子BDFM則在1 s時分別通入以上三種相同的電壓，同時在1．5 s和1．8 s時給自然同步、亞同步和超同步運行的BDFM加上40 N·m的負載。

4．1自然同步運行動態(tài)特性

由圖6、圖7可以看出，兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)BDFM均具有自起動能力，籠型轉(zhuǎn)子的空載起動時間大約為0．44 s，最大起動轉(zhuǎn)矩為80 N·m;磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的空載起動轉(zhuǎn)矩較小，起動時間較長，大約為0．75 s，最大起動轉(zhuǎn)矩為50 N·m。單饋異步運行時，穩(wěn)態(tài)空載轉(zhuǎn)速大約為750 r/min，轉(zhuǎn)差率很小，轉(zhuǎn)速較平穩(wěn)。通入直流電以后，可以看到轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩在瞬間有比較大的波動?；\型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)BDFM的轉(zhuǎn)速跌落至600 r/min，最大轉(zhuǎn)矩波動為108 N·m，0．3 s過后轉(zhuǎn)速被牽入在750 r/min;磁障式磁阻轉(zhuǎn)子BDFM的轉(zhuǎn)速波動較小，轉(zhuǎn)速跌落到695 r/min，最大轉(zhuǎn)矩波動為32 N·m，0．25 s后轉(zhuǎn)速被牽入穩(wěn)定在750 r/min，此時電機在自然同步狀態(tài)下運行。帶上40 N·m負載后，磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩波動也較籠型轉(zhuǎn)子小，籠型轉(zhuǎn)子的最大波動轉(zhuǎn)矩達到了94 N·m，磁障式磁阻轉(zhuǎn)子則為88 N·m。所以由單饋異步牽入自然同步時，磁障式磁阻轉(zhuǎn)子BDFM具有較好的動態(tài)響應(yīng)能力，而且機械負載變化時穩(wěn)定性也比籠型轉(zhuǎn)子好。

4．2亞同步運行動態(tài)特性

由圖8、圖9可以看到，通入反相序的交流電以后，籠型轉(zhuǎn)子BDFM的轉(zhuǎn)速跌落至530 r/min，最大轉(zhuǎn)矩波動為-96 N·m，0．4 s后轉(zhuǎn)速被牽入穩(wěn)定在600 r/min;磁障式磁阻轉(zhuǎn)子BDFM在被牽入亞同步后轉(zhuǎn)速波動較小，轉(zhuǎn)速跌落到570 r/min，最大轉(zhuǎn)矩波動為-82 N·m，0．2 s后轉(zhuǎn)速被牽入穩(wěn)定在600 r/min。電機帶上40 N·m的負載后，籠型轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩波動較大，最大達到了128 N·m;而磁障式磁阻轉(zhuǎn)子則為90 N·m，說明由單饋異步牽入亞同步情況下，磁障式磁阻轉(zhuǎn)子BDFM不但具有較好的牽入特性，而且?guī)лd穩(wěn)定性也較好，在電機最大負載限度內(nèi)，轉(zhuǎn)速維持不變，體現(xiàn)了良好的同步電機特性。

4．3超同步運行動態(tài)特性

由圖10、圖11可以看出，籠型轉(zhuǎn)子BDFM的轉(zhuǎn)速在0．08 s內(nèi)提升至990 r/min，最大轉(zhuǎn)矩波動為72 N·m，在0．6 s后轉(zhuǎn)速被牽入穩(wěn)定在900 r/min;磁障式磁阻轉(zhuǎn)子BDFM在被牽入超同步后轉(zhuǎn)速波動較小，在0．04 s內(nèi)提升到958 r/min，最大轉(zhuǎn)矩波動為82 N·m，在0．55 s后轉(zhuǎn)速被牽入穩(wěn)定在900 r/min。電機帶上40 N·m負載后，籠型轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)矩波動為80 N·m;而磁障式磁阻轉(zhuǎn)子則為83 N·m，可以看到轉(zhuǎn)速的波動還是比較大，達到穩(wěn)定的時間也比亞同步長。說明由單饋異步牽入超同步情況下，磁障式磁阻轉(zhuǎn)子BDFM比籠型轉(zhuǎn)子BDFM具有更好的牽入特性，這與牽入亞同步相似，但在穩(wěn)定性方面兩種轉(zhuǎn)子都不太理想，這與文獻［4］中得到的在雙饋運行時盡可能工作于同步速和亞同步速，以保證電機具有較高的穩(wěn)定性相一致。

綜上所述，兩種轉(zhuǎn)子在不同的運行方式下，轉(zhuǎn)速大小與式(1)的理論值完全相等，從而說明上述建立的有限元模型和仿真結(jié)果的正確性。同時在相同激勵和外部條件下，籠型轉(zhuǎn)子BDFM具有較好的起動性能，而磁障式磁阻轉(zhuǎn)子BDFM具有較好的牽入動態(tài)特性，即狀態(tài)轉(zhuǎn)換后經(jīng)動態(tài)調(diào)整達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的時間較短，實際仿真結(jié)果與理論分析相一致。

5結(jié) 論

本文對兩種典型轉(zhuǎn)子的氣隙磁場進行了比較系統(tǒng)的有限元計算，通過諧波頻譜分析，對比了兩種轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制效果。同時對比分析了兩種轉(zhuǎn)子的起動、牽入特性和機械負載變化時的穩(wěn)定性。從而得到如下的結(jié)論:

(1)由頻譜分析可知，磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制效果要好于籠型轉(zhuǎn)子。

(2)單饋異步空載起動時，籠型轉(zhuǎn)子起動轉(zhuǎn)矩大，起動時間短，而磁障式磁阻轉(zhuǎn)子由于本身結(jié)構(gòu)的原因，起動轉(zhuǎn)矩小，起動時間較長。

(3)在由單饋異步運行牽入自然同步、亞同步和超同步運行時，磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的動態(tài)響應(yīng)比籠型轉(zhuǎn)子快，響應(yīng)時間短。但在超同步運行時，兩種轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性方面都比在自然同步和亞同步運行時稍差一些。

今后研究的重點還是在轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計上，希望本文的仿真和結(jié)論，能夠為BDFM的研究工作者提供一定的參考。

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