籠條對磁阻轉(zhuǎn)子電勵磁同步電機(jī)性能影響*

蔣曉東， 王秀平

(1.沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110159；2.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院,遼寧 沈陽 110136)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中，永磁同步電機(jī)以其高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡單和動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而在一些特殊環(huán)境，如高溫、高鹽度和高濕度的“三高”環(huán)境下，永磁體容易失磁，由此導(dǎo)致電機(jī)性能急劇下降，造成不可逆的損失[3-5]。另外永磁材料作為國家重要戰(zhàn)略資源，近幾年其產(chǎn)量受到國家嚴(yán)格的控制，其價格不斷上漲，永磁電機(jī)成本隨之不斷增加。因此，研發(fā)在特殊環(huán)境下能夠替代永磁電機(jī)的新型電機(jī)成為時下迫切的需求[6-8]。

電勵磁同步電機(jī)因其效率較高、調(diào)節(jié)勵磁方便等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注[9-11]。然而常規(guī)電勵磁同步電機(jī)內(nèi)部存在電刷和滑環(huán)裝置，在運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生電火花。為了提高電勵磁電機(jī)的可靠性，無刷電勵磁電機(jī)將逐漸替代有刷電勵磁電機(jī)成為未來的發(fā)展趨勢。

針對無刷電勵磁電機(jī)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。文獻(xiàn)[12]提出了一種新型電勵磁無刷同步電機(jī)，該電機(jī)取消了傳統(tǒng)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電刷和滑環(huán)，而且不需要單獨(dú)采用勵磁機(jī)勵磁，結(jié)構(gòu)比較簡單，通過仿真分析和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所提新型無刷電勵磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。文獻(xiàn)[13]提出了一種新型無刷電勵磁同步發(fā)電機(jī)方案，該發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢是可以在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)，同時采用功率等級較低的整流器以及電壓等級較低的功率器件降低整個系統(tǒng)的成本。文獻(xiàn)[14]提出了一種磁阻轉(zhuǎn)子定子電勵磁無刷同步電機(jī)(SEEBSM)，分析了其磁場調(diào)制機(jī)理，利用有限元方法得到了該電機(jī)在空載和負(fù)載運(yùn)行時的電磁特性。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析籠條對磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM性能的影響。分別闡述了帶籠條的磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、籠條排布方式以及運(yùn)行原理，研究了轉(zhuǎn)子添加籠條后對其電磁性能和溫度的影響，包括轉(zhuǎn)子有、無籠條與不同籠條組合形式對電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，籠條對帶負(fù)載能力的影響，以及籠條對電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時溫升的影響等。

1 結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

SEEBSM定子鐵心可以直接采用感應(yīng)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，以降低定子沖片的設(shè)計(jì)難度以及加工成本。定子槽內(nèi)嵌套有兩種不同極數(shù)的繞組，即三相電樞繞組和單相勵磁繞組，其中電樞繞組采用雙層短距繞組，而勵磁繞組則采用單層等跨距繞組。

當(dāng)SEEBSM穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，電樞繞組和勵磁繞組會分別在氣隙中產(chǎn)生一個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場和一個靜止的恒定磁場。這兩個磁場通過帶籠條的磁阻轉(zhuǎn)子進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)磁場之間的耦合，并最終在轉(zhuǎn)子上輸出穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。設(shè)電樞繞組極對數(shù)為pp，勵磁繞組極對數(shù)為pL，該電機(jī)等效極對數(shù)p為pp+pL，同步轉(zhuǎn)速n1可以表示為

(1)

式中：f1為電網(wǎng)供電頻率。

帶籠條的磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM二維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其中籠條包括公共籠條和短接籠條，排布方式如圖2所示。SEEBSM運(yùn)行方式接線示意圖如圖3所示。

圖1 SEEBSM結(jié)構(gòu)模型

圖2 籠條在轉(zhuǎn)子中的排布方式

圖3 SEEBSM運(yùn)行方式接線示意圖

由圖3可知，當(dāng)S1開關(guān)閉合時，勵磁繞組與起動電阻R連接，SEEBSM起動。當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，斷開S1開關(guān)，閉合S2開關(guān)，由勵磁控制器給勵磁繞組提供直流電，SEEBSM隨后進(jìn)入同步運(yùn)行階段，此時轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。

2 籠條對SEEBSM電磁性能的影響

本文采用有限元方法對圖1所示的帶籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM的電磁性能進(jìn)行仿真研究，主要參數(shù)如表1所示。有、無籠條結(jié)構(gòu)下的磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM異步起動過程中轉(zhuǎn)速隨時間的變化如圖4所示。

表1 主要參數(shù)

圖4 磁阻轉(zhuǎn)子有、無籠條下轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

由圖4可知，在磁阻轉(zhuǎn)子中添加籠條后，轉(zhuǎn)速隨時間變化顯著，說明籠條可以改善SEEBSM的起動性能，使該電機(jī)在較短時間內(nèi)進(jìn)入異步運(yùn)行階段。另外，短接籠條對磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM起動性能的影響效果優(yōu)于公共籠條。在保證公共籠條不變的前提下，短接籠條數(shù)量對SEEBSM轉(zhuǎn)速的影響如圖5所示。

圖5 公共籠條+短接籠條不同組合下的轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖5可知，短接籠條層數(shù)越多，SEEBSM進(jìn)入異步運(yùn)行階段的時間越短。當(dāng)短接籠條層數(shù)為3層時，穩(wěn)定運(yùn)行后的轉(zhuǎn)速更接近同步運(yùn)行轉(zhuǎn)速，說明短接籠條的層數(shù)越多，SEEBSM進(jìn)入同步運(yùn)行的能力越強(qiáng)。

當(dāng)磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM穩(wěn)定運(yùn)行于同步階段后，分別給有籠條SEEBSM和無籠條SEEBSM加50 N·m負(fù)載，在保證給各自提供相同的勵磁電源的情況下，轉(zhuǎn)速隨時間變化如圖6所示。

圖6 50 N·m負(fù)載下籠條對轉(zhuǎn)速變化影響對比

由圖6可知，在相同勵磁情況下，有籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM在5 s時刻加50 N·m負(fù)載后，轉(zhuǎn)速可經(jīng)過較短時間逐漸恢復(fù)到同步轉(zhuǎn)速。無籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM在8 s時刻加50 N·m負(fù)載后，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動而后逐漸失步。當(dāng)提高勵磁電流后，無籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM在加50 N·m負(fù)載后，轉(zhuǎn)速波動一段時間后逐漸穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果說明籠條能夠提高SEEBSM的帶負(fù)載能力，或者說要保持相同的帶負(fù)載能力，需要提供更大的勵磁電流。

綜合上述仿真結(jié)果可知，在磁阻轉(zhuǎn)子中添加籠條可以明顯改善SEEBSM的起動性能和帶負(fù)載能力，這是因?yàn)閷⒒\條與磁阻轉(zhuǎn)子單獨(dú)分析，SEEBSM轉(zhuǎn)子可以等效為“磁阻轉(zhuǎn)子+籠型轉(zhuǎn)子”形式。理想籠型轉(zhuǎn)子等效氣隙比磁導(dǎo)函數(shù)與理想磁阻轉(zhuǎn)子等效氣隙比磁導(dǎo)函數(shù)基本相同，說明兩種結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)子對定子繞組磁動勢具有類似的調(diào)制作用。因此，在磁阻轉(zhuǎn)子內(nèi)添加籠條可認(rèn)為是在磁阻轉(zhuǎn)子調(diào)制能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的調(diào)制能力，從而使電機(jī)電磁性能得到明顯改善。

有籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM勵磁繞組和電樞繞組電流隨時間的變化如圖7所示。由圖7可知，在5 s時刻突加50 N·m負(fù)載，勵磁繞組電流激增至8.99 A，經(jīng)過0.4 s后穩(wěn)定在5.41 A左右。電樞繞組電流在加負(fù)載前后幅值變化不顯著，加負(fù)載后最終穩(wěn)定在12.7 A。電機(jī)起動及加載過程中轉(zhuǎn)矩隨時間的變化如圖8所示。

圖7 50 N·m負(fù)載下繞組電流隨時間變化曲線

圖8 50 N·m負(fù)載下轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

由圖8可知，電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩較大，瞬時峰值達(dá)到430 N·m，隨著轉(zhuǎn)速不斷上升，轉(zhuǎn)矩逐漸趨于平穩(wěn)。在5 s時刻突加50 N·m負(fù)載，轉(zhuǎn)矩瞬間增大，轉(zhuǎn)速波動一段時間后，恢復(fù)同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩最終穩(wěn)定在50 N·m左右。負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行的磁場分布如圖9所示。由圖9可知，該電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行后磁力線為6極分布，與其等效極對數(shù)一致，且漏磁較少。另外磁密最大值為1.8 T左右，材料利用率較高。

圖9 負(fù)載運(yùn)行時SEEBSM磁場分布云圖

3 籠條對SEEBSM溫升的影響

為了研究籠條對磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM穩(wěn)定運(yùn)行時溫升的影響，采用有限元方法對該電機(jī)額定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速時的溫度場進(jìn)行了仿真研究。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)周向?qū)ΨQ，為了縮短仿真時間，建立1/6整機(jī)模型作為求解區(qū)域，如圖10所示。其中圖10(a)為無籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM求解區(qū)域，圖10(b)為有籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM求解區(qū)域。為了計(jì)算方便，做如下假設(shè)：

(1) 將定子槽內(nèi)所有絕緣等效為一個絕緣實(shí)體結(jié)構(gòu)，采用一個等效導(dǎo)熱系數(shù)；

(2) 電機(jī)浸漬漆填充均勻、定子繞組絕緣漆分布均勻、定子槽絕緣與定子鐵心之間緊密接觸無間隙；

(3) 電樞繞組和勵磁繞組端部伸出部分長度用等效直線的伸出長度表示；

(4) 忽略對仿真結(jié)果影響不大卻影響網(wǎng)格剖分精度的零部件，如螺栓、螺母、螺釘和墊圈等。

圖10 溫度場求解模型

由于將定子槽內(nèi)各種絕緣等效為一個絕緣實(shí)體，因此根據(jù)絕緣等級和試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定等效繞組絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)[15]，SEEBSM各結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。

表2 主要材料導(dǎo)熱系數(shù) W·(m·K)-1

另外，機(jī)殼表面對流散熱系數(shù)ɑfr為[15]

(2)

式中：Vx為平均風(fēng)速。

損耗作為熱源將直接影響電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫升，采用有限元方法分別對磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM在有、無籠條下的損耗進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。其中，定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗、定子槽內(nèi)繞組損耗以及轉(zhuǎn)子籠條銅耗均可通過有限元仿真得到。雜散損耗根據(jù)文獻(xiàn)[16]近似按2.9%的額定功率選取。機(jī)械損耗為軸承摩擦損耗，可采用下式計(jì)算[17]：

(3)

式中：F為軸承載荷；v為滾動軸承滾珠中心圓周速度；d為滾珠中心直徑。

表3 SEEBSM損耗 W

兩種磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM主要結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度場分布如圖11所示。另外，主要結(jié)構(gòu)最高溫升對比結(jié)果如表4所示，環(huán)境溫度為25 ℃。

圖11 主要結(jié)構(gòu)溫度分布

由表4可知，帶籠條后磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM各主要結(jié)構(gòu)溫升均有不同程度的增大。其中定子最高溫升增大了31.5%，轉(zhuǎn)子最高溫升增大了32.0%，電樞繞組和勵磁繞組最高溫升分別增大了25.3%和19.5%。綜上所述，在磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM中添加籠條會導(dǎo)致電機(jī)主要結(jié)構(gòu)溫升明顯增大，但是該電機(jī)采用F級絕緣等級，因此絕緣材料并不會因溫升的增大而損壞。

表4 各結(jié)構(gòu)最高溫升對比 ℃

4 結(jié) 語

本文研究了籠條結(jié)構(gòu)對磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM電磁性能以及溫度的影響。通過分析可知，在磁阻轉(zhuǎn)子中添加籠條可以明顯改善電機(jī)的起動性能，且短接籠條對起動性能的影響效果要優(yōu)于公共籠條，短接籠條層數(shù)越多對電機(jī)牽入同步越有利。在磁阻轉(zhuǎn)子中添加籠條可以提高SEEBSM的帶負(fù)載能力，然而其會使該類電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時主要結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫升增大19.5%～32%。本文的研究成果可以提高磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM的電磁性能，為后續(xù)樣機(jī)的研制提供支撐。