磁阻轉(zhuǎn)子定子電勵磁無刷同步電機(jī)電磁特性分析

蔣曉東，石征錦

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159)

0 引 言

永磁電機(jī)具有功率密度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但其勵磁不可調(diào)，且在極端惡劣環(huán)境(如高溫、高濕度等)下永磁體容易失磁，在某些特殊領(lǐng)域不適合采用永磁電機(jī)[1-2]。

電勵磁無刷同步電機(jī)是一種將常規(guī)電勵磁同步電機(jī)與磁場調(diào)制機(jī)理相結(jié)合而設(shè)計的新型電機(jī)，其優(yōu)勢是取消了傳統(tǒng)電勵磁同步電機(jī)的電刷和滑環(huán)，使其在運(yùn)行過程中不易產(chǎn)生火花，避免了爆炸事故的發(fā)生。相比于永磁電機(jī)，它更具有勵磁調(diào)節(jié)方便、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，有著較好的應(yīng)用前景，適合在一些特殊環(huán)境中使用[3]。

文獻(xiàn)[4]提出了一種新型無刷電勵磁同步電機(jī)，該電機(jī)由繞線式異步電機(jī)改造而成，仿真得到了該電機(jī)的磁力線、磁密分布和損耗，通過實(shí)驗驗證了該電機(jī)理論分析的合理性。文獻(xiàn)[5]針對混合轉(zhuǎn)子無刷電勵磁電機(jī)的電感參數(shù)提出了一種解析計算方法，研究了電感參數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置的變化規(guī)律，通過實(shí)驗驗證了電感參數(shù)解析計算模型的正確性。文獻(xiàn)[6]提出了一種新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)定子電勵磁無刷同步電機(jī)，仿真研究得到了其勵磁繞組極數(shù)對磁場耦合能力的影響規(guī)律以及運(yùn)行特性，通過實(shí)驗驗證了該新型電機(jī)具有較好的動靜態(tài)性能。文獻(xiàn)[7]對比分析了磁障轉(zhuǎn)子和混合轉(zhuǎn)子兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷電勵磁電機(jī)的電磁性能，通過實(shí)驗得出混合轉(zhuǎn)子的性能優(yōu)于磁障轉(zhuǎn)子的性能。

文獻(xiàn)[8]針對一類新型定子電勵磁同步電機(jī)的新進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析，系統(tǒng)描述了定子電勵磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理和各種新穎結(jié)構(gòu)，比較了其轉(zhuǎn)矩密度和其他電磁性能。文獻(xiàn)[9]針對無刷電勵磁同步電機(jī)的損耗和溫度場進(jìn)行了有限元分析，通過實(shí)驗驗證了仿真結(jié)果的正確性。

本文針對定子電勵磁無刷同步電機(jī)(以下簡稱SEEBSM)提出了一種磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分別闡述了繞組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行系統(tǒng)以及磁場調(diào)制機(jī)理，對該電機(jī)在空載和負(fù)載兩種情況下的電磁特性進(jìn)行了仿真分析，研究結(jié)果為后續(xù)樣機(jī)的研制和實(shí)驗提供了參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理

SEEBSM采用傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于其定子槽內(nèi)嵌有不同極數(shù)的兩套繞組，分別為三相電樞繞組和單相勵磁繞組，如圖1所示。其中，電樞繞組采用雙層短距繞組，位于定子槽口；勵磁繞組采用等跨距的單層繞組，位于定子槽底。兩套繞組之間不存在直接的電磁耦合關(guān)系，而是通過特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行間接耦合，SEEBSM新型磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。定子槽內(nèi)勵磁繞組分布如圖3所示，采用同心式繞組連接方式，支路數(shù)為1。

圖1 定子繞組分布圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖3 勵磁繞組分布圖

磁阻轉(zhuǎn)子等效極對數(shù)與定子勵磁繞組極對數(shù)和電樞繞組極對數(shù)的關(guān)系如下：

pr=pp+pL

(1)

式中：pr為轉(zhuǎn)子等效極對數(shù)；pp為電樞繞組極對數(shù)；pL為勵磁繞組極對數(shù)。

在勵磁繞組中串入電阻，電樞繞組直接與工頻電網(wǎng)相連，該電機(jī)可直接起動，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后進(jìn)入異步運(yùn)行階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，將勵磁繞組串接的電阻切換掉，同時由直流電源給勵磁繞組供電，當(dāng)轉(zhuǎn)速再次穩(wěn)定時，電機(jī)進(jìn)入到同步運(yùn)行階段，運(yùn)行系統(tǒng)示意圖如圖4所示。若電網(wǎng)頻率為f1，則SEEBSM的自然同步轉(zhuǎn)速：

圖4 SEEBSM運(yùn)行系統(tǒng)示意圖

(2)

2 磁場調(diào)制機(jī)理

圖2為SEEBSM的磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。忽略齒槽開口以及鐵心中磁壓降的影響，僅考慮對結(jié)果影響最大的基波磁導(dǎo)。忽略高次諧波磁導(dǎo)后的氣隙比磁導(dǎo)可以近似表述：

λg(φ,t)=λ0+λ1cos[pr(φ-ωrt-θ0)]

(3)

(4)

(5)

式中：λ0為氣隙磁導(dǎo)平均分量；λ1為基波磁導(dǎo)幅值；θ0為電樞繞組合成磁動勢軸線與轉(zhuǎn)子參考軸的夾角；pr為轉(zhuǎn)子等效極對數(shù)；g為氣隙長度；αp為極弧系數(shù)；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度。氣隙磁通密度可表示：

B(φ,t)=[fp(φ,t)+fL(φ)]λg(φ,t)

(6)

式中：fp(φ,t)和fL(φ,t)分別為電樞繞組和勵磁繞組磁動勢。將式(6)展開得到：

B(φ,t)=Bp1(+)+Bp1(-)+BL1(+)+

BL1(-)+Bp0+BL0

(7)

其中，

(8)

式中：δ為勵磁繞組和電樞繞組合成磁動勢軸線夾角；ωp為電樞繞組角頻率。

由式(8)可知，經(jīng)過磁場調(diào)制后氣隙中存在6種不同極數(shù)和轉(zhuǎn)速的磁場，根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，其中Bp0、BL1(-)和BL1(+)分別在勵磁繞組和電樞繞組中產(chǎn)生的電動勢頻率與電流頻率相同，從而輸出穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。

3 SEEBSM數(shù)學(xué)模型

假設(shè)SEEBSM繞組中電壓和電流的正方向如圖5所示。

圖5 繞組電壓電流正方向

根據(jù)基爾霍夫定律，其電壓方程式如下：

(9)

式中：U為電樞繞組相電壓矩陣；i為繞組相電流矩陣；R為相電阻矩陣；L為繞組電感矩陣。

U=[UAUBUCUL]T

(10)

i=[iAiBiCiL]T

(11)

R=diag[RARBRCRL]

(12)

(13)

式(10)～式(13)中，下角標(biāo)“L”表示勵磁繞組。另外，無論是在異步還是同步運(yùn)行條件下，該電機(jī)的運(yùn)動方程均為：

(14)

式中：T1為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；ωr為機(jī)械角速度；J為轉(zhuǎn)動慣量。

4 電磁特性仿真

電機(jī)的電磁特性仿真是研究和設(shè)計新型電機(jī)的一種有效途徑和方法，尤其是對于原理上與常規(guī)電機(jī)有很大不同的新型電機(jī)，仿真研究就顯得尤為重要。

4.1 空載特性

針對本文的磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一臺額定功率為11 kW、轉(zhuǎn)速為500 r/min的定子電勵磁無刷同步電機(jī)，主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。采用有限元法對其空載運(yùn)行時的電磁特性進(jìn)行了仿真。當(dāng)勵磁繞組串接不同阻值的電阻時，轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線如圖6所示。

表1 SEEBSM主要參數(shù)

圖6 勵磁繞組串接不同電阻時轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

從圖6可以看出，當(dāng)勵磁繞組串接電阻的阻值為5 Ω時，起動2.8 s后，轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在250 r/min；當(dāng)串接電阻的阻值為分別為15 Ω和20 Ω時，起動4 s后，轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在484 r/min，接近同步轉(zhuǎn)速。說明要想使該磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM在空載時能夠順利起動，進(jìn)入到異步運(yùn)行階段，勵磁繞組所串接電阻的阻值不能過小。

當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于異步階段時，將勵磁繞組串接的電阻切除，同時由直流電源給勵磁繞組供電，轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7 不同運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

圖7中，曲線1表示處于異步運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速隨時間的變化情況；曲線2表示起動3 s后將勵磁繞組串接電阻切除，由直流電源直接給勵磁繞組供電時轉(zhuǎn)速的變化情況。由曲線1可知，起動4 s后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在500 r/min，進(jìn)入同步運(yùn)行階段?？蛰d運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速時，SEEBSM磁場密度和磁力線分布分別如圖8和圖9所示。

圖8 空載運(yùn)行時磁場密度分布

圖9 空載磁力線分布

由圖8和圖9可知，最大磁密位置出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁層之間的連接筋上，最大磁密約為1.8 T。同步運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線如圖10所示。

圖10 空載運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

4.2 負(fù)載特性

當(dāng)電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速時，突加30 N·m的負(fù)載，其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線以及電樞繞組和勵磁繞組的感應(yīng)電動勢分別如圖11～圖14所示。

圖11 突加30 N·m負(fù)載時轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

圖12 負(fù)載運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

圖13 電樞繞組反電動勢曲線

圖14 勵磁繞組反電動勢曲線

由圖11可知，勵磁繞組串入電阻后，在0～4 s之間電機(jī)直接起動，在4 s時將電阻切換掉，由直流電源給勵磁繞組供電，經(jīng)0.3 s轉(zhuǎn)速逐漸提高到同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)入同步運(yùn)行階段；在6 s時加入30 N·m負(fù)載，同時增大勵磁電流，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動，0.6 s后逐漸穩(wěn)定于同步轉(zhuǎn)速。由圖12可知，在6 s時突加負(fù)載，轉(zhuǎn)矩突然增大，經(jīng)過2 s后逐漸趨于平穩(wěn)。

觀察圖13可知，電樞繞組相反電動勢的波形為正弦，有效值為218.3 V。由圖14可知，在0～4 s之間，隨轉(zhuǎn)速不斷上升，勵磁繞組反電動勢幅值逐漸降低。4 s后由于轉(zhuǎn)速逐漸趨于同步轉(zhuǎn)速，反電動勢逐漸趨于零；6 s時突加負(fù)載，導(dǎo)致其反電動勢有一定波動，并隨轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定而趨于零。負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時SEEBSM的磁密分布如圖15所示。

圖15 負(fù)載運(yùn)行時磁場密度分布

由圖15可知，電機(jī)最大磁密為1.92 T，同樣位于轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁層之間的連接筋處。對比圖8可知，負(fù)載時鐵心中主磁路的磁密與空載時相比有所提高，說明鐵心材料得到充分利用，電磁設(shè)計合理。

當(dāng)負(fù)載增大到50 N·m，保持勵磁不變，轉(zhuǎn)速隨時間變化如圖16所示。

圖16 突加50 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

由圖16可知，在6 s時突加50 N·m負(fù)載，轉(zhuǎn)速急劇下降，說明能夠帶動30 N·m負(fù)載的勵磁不足以帶起更大的負(fù)載。在保證其他條件不變的情況下，增大勵磁電流，轉(zhuǎn)速變化如圖17所示。

圖17 增大勵磁電流后轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線

由圖17可知，增大勵磁電流后，轉(zhuǎn)速在6 s時開始波動，逐漸穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速，說明調(diào)整勵磁繞組中勵磁電流的大小可以改善電機(jī)的帶載能力。

5 結(jié) 語

本文提出了一種帶磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的SEEBSM，闡述了其繞組轉(zhuǎn)子、運(yùn)行系統(tǒng)以及磁場調(diào)制機(jī)理，對其在空載和負(fù)載運(yùn)行下電磁特性進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果可知，當(dāng)空載起動時，調(diào)節(jié)勵磁繞組串接電阻的阻值可以有效改善電機(jī)的起動性能；穩(wěn)定運(yùn)行后磁密最大處均位于磁阻轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁層之間連接筋處；突加負(fù)載轉(zhuǎn)速逐漸平穩(wěn)后，勵磁繞組中的感應(yīng)電動勢逐漸趨于零，電樞繞組中感應(yīng)電動勢正弦度較好；調(diào)節(jié)勵磁電流大小可以提高該電機(jī)的帶載能力。本文的研究豐富了適用于定子電勵磁無刷同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并為后續(xù)樣機(jī)的研制提供了有利的數(shù)據(jù)支撐。