定子雙饋無刷風(fēng)電機(jī)磁場分析

曲春雨，閆江峰，王秀平，曹金龍

（沈陽工程學(xué)院，沈陽 110136）

定子雙饋無刷風(fēng)電機(jī)磁場分析

曲春雨，閆江峰，王秀平，曹金龍

（沈陽工程學(xué)院，沈陽 110136）

高可靠性定子雙饋電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文首先介紹了定子雙饋無刷雙饋電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的運(yùn)行原理，然后繪制了該電機(jī)的二維和三維結(jié)構(gòu)圖，對該電機(jī)進(jìn)行了有限元分析計算，為電機(jī)的開發(fā)應(yīng)用提供參考。

雙饋無刷電機(jī)；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；有限元分析；應(yīng)用前景

1 引言

電機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的電磁裝置，廣泛應(yīng)用的主要是異步電機(jī)和同步電機(jī)。鼠籠型異步電機(jī)簡單、堅固而且耐用， 是驅(qū)動領(lǐng)域的主要電動機(jī)，但缺點(diǎn)就是起動和調(diào)速性能不夠理想，繞線型異步電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)雙饋運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)串級調(diào)速，但本身結(jié)構(gòu)包含了電刷和滑環(huán)，運(yùn)行可靠性和在惡劣環(huán)境的應(yīng)用方面顯得不足；火力發(fā)電和水力發(fā)電中廣泛利用了同步發(fā)電機(jī)，但應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電，存在了局限性。目前快速發(fā)展的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，雖然具有高效率，優(yōu)良的運(yùn)行性能，但變頻器容量較大，而且無法實(shí)現(xiàn)雙饋運(yùn)行。雙饋無刷電機(jī)是近些年發(fā)展起來的一種新型交流電機(jī)，該電機(jī)通過變頻器的是轉(zhuǎn)差頻率、功率因數(shù)可調(diào)、無刷耐用而且結(jié)構(gòu)簡單，將在交流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，具有較大的應(yīng)用市場。目前，雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理、功率流向和運(yùn)行性能已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究， 開展了推廣應(yīng)用的前期基礎(chǔ)工作［1-4］。但是，雙饋無刷電機(jī)僅僅小部分應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，大多數(shù)學(xué)者仍然在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行開發(fā)和研究，距離產(chǎn)業(yè)化還有距離，因此，學(xué)者們積極尋求各種有效的途徑和手段，深入開展該電機(jī)的推廣應(yīng)用技術(shù)研究，該電機(jī)已經(jīng)成為近幾年學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問題之一［5-6］。

本文首先陳述雙饋無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，然后借助有限元分析軟件，對磁場進(jìn)行了分析，表明了設(shè)計樣機(jī)的合理性。

2 雙饋無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理

與傳統(tǒng)交流電機(jī)相比，雙饋無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)比較特殊，在定子上嵌放了2pp極的功率繞組和2pc極的控制繞組，雙饋運(yùn)行時，功率繞組連接電網(wǎng)，控制繞組經(jīng)過雙向變頻器連接到電網(wǎng)。轉(zhuǎn)子極對數(shù)pr和定子兩套繞組極對數(shù)之間的關(guān)系如下：

因此，在電機(jī)的氣隙中將會存在兩種極數(shù)磁場的耦合，這兩個磁場的耦合是通過特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，因而也就完成了定轉(zhuǎn)子間的機(jī)電能量交換。功率繞組和控制繞組的作用近似看作傳統(tǒng)的繞線式異步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

雙饋無刷電機(jī)突出的特點(diǎn)就是運(yùn)行方式較多［8-9］，可以實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電、 雙饋驅(qū)動、異步運(yùn)行和同步運(yùn)行等方式，雙饋發(fā)電運(yùn)行時的各個物理量的關(guān)系式為：

式中f1和f2分別指的是功率繞組和控制繞組的電流頻率?！?”“-”分別表示兩定子繞組的電流為同相序和反相序。當(dāng)風(fēng)速或者水速改變時，由式子（2），通過改變控制繞組的頻率，可以確保功率繞組的輸出頻率為50Hz，發(fā)揮了變速恒頻發(fā)電的目的。因此，雙饋無刷電機(jī)常常用于變速恒頻風(fēng)力或者水力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

3 定子雙饋無刷發(fā)電機(jī)性能的磁場分析

兩套定子繞組具有不同的極數(shù)，因此轉(zhuǎn)子在磁場耦合過程中承擔(dān)著“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”功能，常見的轉(zhuǎn)子類型主要有同心籠型、磁障磁阻型和混合轉(zhuǎn)子等。混合轉(zhuǎn)子定子雙饋無刷電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。主要組成包含：定子、轉(zhuǎn)子、隔磁環(huán)、端部短路環(huán)、轉(zhuǎn)軸等。為了進(jìn)行對定子雙饋風(fēng)電機(jī)進(jìn)行磁場分析，需要建立該電機(jī)的二維結(jié)構(gòu)模型，在ΑUTOCΑD里面建立的模型，然后導(dǎo)入有限元分析軟件，如圖3所示。

按照如下步驟進(jìn)行有限元分析計算，步驟為：

（1）建立模型；（2）制定材料的屬性：定子和轉(zhuǎn)子鐵心為硅鋼片，定子繞組為銅，轉(zhuǎn)子軸為；（3）鑄鐵。建立邊界條件和激勵源；（4）設(shè)定求解參數(shù)；（5）后處理，得到結(jié)果。

得到的有限元分析的結(jié)果如下，

從圖4可以看出，定子雙饋風(fēng)電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時，磁場分布合理，定子軛部1.5T， 定子齒部1.6T， 轉(zhuǎn)子的平均磁密在1.4T， 磁密分布合理。

從圖5所示，磁力線沿著希望的路徑流通，轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)明顯。也有磁力線從一個單元跨到了另一個單元，這是我們不希望存在的，因此在結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮這方面影響。

圖6給出了氣隙磁密分布，圖7給出了氣隙磁密的FFT分解?？梢钥闯觯瑲庀洞琶芊植济黠@非正弦性，這是由于該類電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和原理導(dǎo)致。 通過FFT分析可以看出，所有諧波中，只有4次和8次諧波最大，這是由于該電機(jī)在運(yùn)行時，是依靠這兩種諧波來工作的。

4 結(jié)論

在分析了無刷雙饋電機(jī)原理的基礎(chǔ)上，繪制了定子雙饋無刷電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)圖，然后對該電機(jī)的性能進(jìn)行了有限元分析，通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，各部分磁密分布合理，磁力線能夠沿著希望的路徑流通，同時，該電機(jī)的氣隙磁場不對稱，明顯不具備正弦性特點(diǎn)，但從FFT分解來看，該電機(jī)的有效諧波較大，較好的完成了機(jī)電能量交換。

［1］P J Tavner， R A MMahon， P Roberts， etc， Rotor Design & Performance for a BDFM， Greece， September， 2006，pp∶439-443.

［2］Richard McMahon， Peter Tavner， Ehsan Abdi， Paul Malliband and Darren Barkerd， Characterising Rotors for Brushless Doubly-Fed Machines （BDFG）， ICEM 2010，pp.1-6， 2010.

［3］Huijuan Liu， Longya Xu， Performance analysis of a doubly excited brushless machine for variable speed application，ICEMS2011， 2011.

［4］王秀平，郭瑞，王東瑞.無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用前景［J］.硅谷，2012（10）∶24-25.

［5］王秀平，張鳳閣.新型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)電磁設(shè)計［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（07）∶12-15.

［6］張繼東.無刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2012 （15）∶10-13.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.173

曲春雨（1979-），碩士，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向：特種電機(jī)及其控制技術(shù)。