深槽式凸極轉子無刷雙饋電機的電磁設計

薛 冰

(國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，蘇州 215163)

0 引 言

無刷雙饋電機是一種具有特殊結構的新型電機，它略去電刷，結構可靠簡單，其所需變頻器容量低，運行可靠，機械特性硬，在很多領域都有潛在的應用前景。其定子繞組具備極數各異、互為冗余的控制、功率兩組繞組，轉子結構分為籠型和磁阻兩大類，但傳統的無刷雙饋電機轉子磁場耦合能力弱，導致電機性能和效率不高[1]。所以，對傳統轉子進行優(yōu)化改進，增強磁場耦合能力，促進其實用化意義重大。

普通凸極轉子磁耦合能力弱，電機性能差，為進一步提高電機性能，對原有普通凸極轉子進行尺寸優(yōu)化，并改進了其轉子結構，設計了一臺6 kW的深槽式凸極轉子BDFM，依據BDFM的結構原理和設計方法[2]，對一臺6 kW的BDFM的主要尺寸進行了計算，并對其凸極長度和寬度進行了尺寸優(yōu)化。在此基礎上，結合磁障式磁阻轉子的設計靈感，對原轉子結構進行改進，建立了深槽式凸極轉子結構，確定了深槽的深度與寬度的最優(yōu)尺寸方案。為了進一步提高轉子磁耦合能力，又在深槽中額外增加短路導條，最后比較優(yōu)化改進前后轉子的磁耦合能力。

普通凸極轉子結構如圖1(a)所示，其結構簡單結實，制造加工方便，缺點就是各個磁極之間磁隔離效果差，磁耦合作用弱。磁障式磁阻轉子結構如圖1(b)所示，其結構較凸極轉子復雜，各個導磁體整體的加工固定比較困難，不易于生產實際應用，但是其磁障很好地加大了交軸磁阻，使交直軸方向的磁阻差增大，磁場耦合作用得到進一步提升[3]。

(a) 普通凸極轉子

(b) 磁障式磁阻轉子

設計一種既結構簡單易于批量生產加工又有良好的磁場調制能力的磁阻型轉子，將對BDFM的推廣和實用化打下良好的基礎，本文綜合了普通凸極轉子和磁障式磁阻轉子兩者的優(yōu)點，設計的深槽式凸極轉子基本具備上述優(yōu)點。

1 無刷雙饋電機運行機理

如圖2所示，BDFM的定子擁有極數互異且相對不影響的功率以及控制繞組，功率繞組電連接家用電電源，控制繞組電連接頻率可控的電源。

定子功率繞組通入頻率為fp的三相交流電壓，控制繞組通入頻率為fc的三相交流電壓，電機同一個磁路中會產生兩個轉速和極對數都不同的旋轉磁場，他們不能直接耦合，需經過特殊轉子的調制后間接耦合，轉子應能實現極對數自動轉換的作用，自動轉換能力越高越好，判斷轉子自動轉換能力的高低，取決于對應定子兩個極對數諧波磁場的含量，其含量越高，自動轉換的能力就越好，而其余諧波磁場越少越好。

圖2 無刷雙饋電機的結構

2 普通凸極轉子結構優(yōu)化設計

對6 kW BDFM主要尺寸進行計算，得到了具體的結構尺寸。定子外徑260 mm，定子內徑 170 mm，鐵心軸向長度156 mm，最小氣隙長度0.5 mm，最大氣隙長度0.75 mm。初步設定普通凸極轉子尺寸：D1=15 mm，D2=84.5 mm，a=9 mm，b=10 mm，h1=7 mm，h=60 mm，w=55 mm，結構如圖3所示。

圖3 普通凸極轉子結構

在Ansoft中完成普通凸極轉子BDFM模型建立,然后經過有限元計算，圖4為得到的普通凸極轉子BDFM氣隙磁通諧波含量圖。

從圖4(a)可以看出，功率被激勵，不僅3次基波磁通被包含在氣隙磁通中，也擁有不少極對數為1次的諧波磁通，其幅值為22.4%。由圖4(b)得知，只勵磁控制側，不僅1次基波磁通被包含在氣隙磁通中，也擁有不少極對數為3次的諧波磁通，其幅值為31.1%。可以看出，在普通凸極轉子的調制作用下，不管是極對數為3的功率繞組單獨勵磁，還是極對數為1的控制繞組單獨勵磁，都會產生很多與之對應的3次和1次有效諧波磁通，在特殊轉子的調制作用下，功率和控制繞產生了間接的耦合，機電能量轉換得以完成。

(a) 功率繞組單獨勵磁

(b) 控制繞組單獨勵磁

2.1 凸極長度優(yōu)化設計

本文把凸極長度h從30～60 mm每次間隔5 mm依次遞增，即建立了多個凸極長度的凸極轉子BDFM模型。然后經過Ansoft有限元計算，得出控制和功率繞組各自單獨勵磁時不同凸極長度凸極轉子BDFM的各次氣隙磁通諧波含量，如表1所示。

表1 不同凸極長度對凸極轉子耦合能力的影響

由表1可以看出，當功率繞組單獨勵磁時，凸極長度從30 mm變化到50 mm，有效諧波幅值占基波幅值的百分比成遞增趨勢，從50 mm變化到60 mm，有效諧波幅值占基波幅值的百分比遞減；當控制繞組單獨勵磁時，凸極長度從30 mm變化到45 mm，有效諧波幅值占基波幅值的百分比成遞增趨勢；從45～60 mm，有效諧波幅值占基波幅值的比率逐步降低。即對于不同凸極長度，不論是功率繞組還是控制繞組各自勵磁時，隨著凸極長度的增加，轉子磁耦合能力呈現先提高后下降的趨勢，但有效諧波幅值占基波幅值量總體變化趨勢很小，也就是說普通凸極轉子的凸極長度與耦合能力基本聯系很小。凸極長度選為h=50 mm。

2.2 凸極寬度優(yōu)化設計

把凸極寬度w從20～70 mm每次間隔5 mm依次遞增, 得到凸極寬度影響普通凸極轉子耦合能力的數據，如表2所示。

由表2可以看出，凸極寬度越小，凸極轉子的耦合能力越好。凸極寬度從20 mm遞增到35 mm，有效諧波占基波的百分比依次降低且幅度很大，雖然這個范圍內有效諧波含量較高，但是此范圍的凸極寬度較小，磁路較窄，這樣會使轉子的磁通過于密集，導致無用的高次諧波比重加大，使BDFM的性能變差。而60～70 mm的凸極寬度產生的有效諧波幅值占基波幅值的百分比又較低，所以最好選擇凸極寬度為40～55 mm的凸極轉子，此范圍內有效諧波含量變化幅度較小，而且考慮到要在凸極上增加深槽，深槽會占用一部分磁路，因此，本文選取的凸極寬度w=50 mm。

表2 不同凸極寬度對凸極轉子耦合能力的影響

由圖5可以看出，只有功率繞組勵磁時，有效的1次諧波磁通含量從22.4%增加到25%；只有控制繞組勵磁時，有效的3次諧波磁通含量從31.1%增加到37.5%，所以，優(yōu)化后的普通凸極轉子BDFM具有更好的磁耦合能力。

(a) 功率繞組勵磁

(b) 控制繞組勵磁

3 深槽式凸極轉子結構優(yōu)化設計

雖然經過優(yōu)化后的普通凸極轉子BDFM的有效諧波含量有所提高，但整體含量還是偏低，這是由于磁通在凸極轉子上的流通方向不規(guī)則，如果讓磁通流通路徑按照設定的路徑流通，則將會提高其磁場調制能力。為了實現上述效果，本文把具有較好磁耦合能力的磁障式磁阻轉子結構的設計靈感移植到普通凸極轉子，在其技術啟示下，在凸極轉子的凸極處開割深槽，即深槽式凸極轉子結構，深槽不導磁，開pr個深槽，由于深槽高磁阻率的阻礙作用，諧波磁通路徑被限制成pr個，減少了非相鄰凸極間的磁通流量，這樣可以增加有用諧波百分比含量，同時也會減少無用諧波百分比含量。

控制繞組極對數pc=1，功率繞組極對數pp=3，以及轉子極數pr=4，即凸極上需要增加4個深槽，得到的深槽式凸極轉子結構如圖6所示。圖6中，c表示深槽寬度；d表示深槽底部與轉軸頂部之間的距離。

圖6 深槽式凸極轉子

3.1 深槽寬度優(yōu)化設計

深槽不導磁，磁阻率大，能夠設定諧波磁通流通軌跡，但是深槽太寬，磁路利用率會降低，容易飽和且轉子結構強度也會下降；而深槽太窄，其限制諧波磁通路徑的效果又會變差。本文把深槽寬度c從0.5～5 mm每次間隔0.5 mm依次遞增，得到深槽寬度影響深槽式凸極轉子耦合能力的數據，如表3所示。

表3 不同深槽寬度對深槽式凸極轉子耦合能力影響

由表3可看出，深槽寬度越大，深槽式凸極轉子的耦合能力越好。當功率繞組單獨勵磁時，深槽寬度從0.5 mm變化到4 mm，控制繞組諧波幅值占基波的百分比逐漸增加并且增長幅度較大；深槽寬度從4 mm變化到5 mm，控制繞組諧波幅值占基波的百分比也在不斷增加但增長幅度較??；當控制繞組單獨勵磁時，深槽寬度從0.5 mm變化到3.5 mm，功率繞組諧波幅值占基波的百分比逐漸增加并且增長幅度較大；深槽寬度從3.5 mm變化到5 mm，功率繞組諧波幅值占基波的百分比也在不斷增加但增長幅度較小。考慮到深槽寬度的加大會使凸極磁路的截面積變小，凸極磁通密度會相應變大，所以深槽寬度若太大會導致轉子磁密過大而使磁路飽和，再加上轉子寬度增加到3.5～4 mm后再往上增加尺寸其有效諧波含量增長量又較小，所以，本文選取的深槽寬度c=4 mm。

3.2 深槽深度優(yōu)化設計

把深槽深度d從0～20 mm每次間隔2 mm依次遞增，得到深槽深度影響深槽式凸極轉子耦合能力的數據，如表4所示。

表4 不同深槽深度對深槽式凸極轉子耦合能力影響

從表4可看出，當只有功率繞組勵磁或者只有控制繞組勵磁時，隨著加大深槽底部到轉軸頂部的長度，有用諧波量占基波量的比重在降低，即轉子的耦合作用變弱，說明深槽底部與轉軸頂部之間的距離越小越好，最理想的情況是凸極中間的深槽直通轉軸。但是若直通轉軸，轉子的結構強度會變差，考慮轉子結構強度和轉子耦合能力，選取深槽深度d=4 mm。

圖7是采用有限元分析得到的優(yōu)化后的深槽式凸極轉子BDFM磁力線分布圖。

(a) 功率繞組勵磁

(b) 控制繞組勵磁

(c) 控制繞組和功率繞組同時勵磁

對比圖7深槽式凸極轉子和普通凸極轉子磁力線分布圖可以看出，在深槽的限制下，單獨勵磁功率側和控制側或者同時勵磁控制側和功率側，磁力線流通走向都規(guī)則了許多，有效地減少了無用的諧波磁場，有用的相對增加。

通過對比圖8和圖5可知，凸極轉子加深槽后，當只有功率繞組勵磁時，有效的1次諧波磁通含量從25%增加到45.7%；當只有控制繞組勵磁時，有效的3次諧波磁通含量從37.5%增加到46.2%，而且無效的諧波含量比例也較少。

(a) 功率繞組勵磁

(b) 控制繞組勵磁

經過對比分析后可以看出，把普通凸極轉子結構改進成深槽式凸極轉子后，其磁場調制能力得到很大提高，很大程度上改善了普通凸極轉子磁耦合能力弱、電機功率密度和效率偏低的缺點，改進型深槽式凸極轉子BDFM同時具有結構簡單、可靠堅固、易于加工、磁耦合能力強、運行性能好等優(yōu)勢，較結構復雜、不易于加工制造的磁障式磁阻轉子更具有實際應用價值。

4 深槽內嵌入導體條的凸極轉子結構設計

借鑒鼠籠轉子的設計技術，鼠籠導體條內置深槽中，鼠籠導體條被沒用諧波磁場流經時，電勢將被感生在導條中，因為短路導條阻抗很小，所以會產生很大的感應電流，進而感應出反向磁通阻礙無效諧波磁場的通過，使轉子的磁場調制能力得到進一步提高。經過一系列有限元計算，得到了深槽加導條式凸極轉子BDFM磁力線分布圖如圖9所示。

(a) 功率繞組勵磁

(b) 控制繞組勵磁

(c) 控制繞組和功率繞組同時勵磁

對比圖9和圖7可以看出，在短路導條的限制下，單獨勵磁功率側和控制側或者同時勵磁控制側和功率側，磁力線流通走向都規(guī)則了更多，進一步有效地減少了無用的諧波磁場，有用的相對增加。

通過對比圖10 和圖8可知，深槽式凸極轉子加短路導條后，當只有功率繞組勵磁時，有效的1次諧波磁通含量從45.7%增加到58.5%，其他無效次諧波含量有所減少；當只有控制繞組勵磁時，有效的3次諧波磁通含量從46.2%增加到60.3%，其他無效次諧波含量比例也大大降低。

(a) 功率繞組勵磁

(b) 控制繞組勵磁

在深槽式凸極轉子深槽內增加短路導條后，轉子的磁耦合能力得到顯著的提高，電機性能更好，但是新增加的短路導條會額外增加轉子損耗，增加發(fā)熱量，結構也較深槽式凸極轉子復雜，加工制造難度和成本也會相應提高。

5 結 語

本文對普通凸極轉子的凸極長度和寬度尺寸進行了優(yōu)化設計，使該轉子的磁場調制能力有所提高，但電機磁場路徑不確定，有效諧波含量偏低。結合磁障式磁阻轉子的設計靈感，在優(yōu)化后的普通凸極轉子上增加深槽，并分析了不同的深槽寬度和深度對轉子磁場調制能力的影響，選取了合適的深槽式凸極轉子尺寸方案，得出深槽式凸極轉子磁耦合能力相對普通凸極轉子有了很大的提高，并且結構簡單，易于加工。最后在深槽式凸極轉子的深槽中又增加了短路導條，進一步限制了諧波磁場路徑，磁場調制能力進一步加強，但也有發(fā)熱多，制造難度和成本大的缺點。

[1] 龔晟，楊向宇，王芳媛.無刷雙饋電機起源、發(fā)展及原理綜述[J].微電機，2010，43(8)：79-82.

[2] 鄧先明.無刷雙饋電機的電磁分析與設計應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] XU L.Analysis of a doubly-excited brushless reluctance machine by finite element method[C]//IEEE Industry Application Society Annual Meeting，1992：171-177.