磁障轉子無刷雙饋電機

張 岳 王鳳翔 邢軍強 Milutin Jovanovic David Atkinson

(1.沈陽工業大學電氣工程學院 沈陽 110870 2.諾桑比亞大學計算、工程與信息科學學院 紐卡斯爾 NE1 8ST 3.紐卡斯爾大學電氣、電子與計算機工程學院 紐卡斯爾 NE1 7RU)

1 引言

無刷雙饋電機的定子鐵心上嵌有兩套不同極數的繞組，分別用作功率繞組和控制繞組，轉子為無刷結構，通過轉子對定子兩套繞組電流產生磁場進行調制，實現機電能量轉換。在電動運行方式下，可異步運行和同步運行，并可通過改變控制繞組電流的頻率、幅值和相位，實現低于和高于同步速的雙饋調速運行。在發電運行方式下，則可通過控制繞組的交流勵磁實現變速恒頻運行[1,2]。由于控制繞組所需要的變流器功率較小和控制系統成本較低，無刷雙饋電機在大中型交流電機調速系統和變速恒頻發電系統中具有良好的應用前景[3-5]。特別是近年來，隨著兆瓦級變速恒頻風力發電系統中有刷結構雙饋電機故障率的增多，人們對雙饋電機的無刷化充滿期待，從而推動了無刷雙饋電機在變速恒頻風力發電系統的應用研究。

由于無刷雙饋電機的機電能量轉換是基于轉子對定子上不同極數的功率繞組和控制繞組電流磁場的調制作用來實現的，因此，如何優化轉子結構設計提高其磁場調制能力成為無刷雙饋電機設計的關鍵技術。無刷雙饋電機的轉子對于定子繞組電流產生磁場的調制作用主要有兩種方式：一種是通過轉子繞組的感應電流產生磁場對定子繞組電流磁場的反作用；另一種是通過轉子鐵心的磁路結構限定定子繞組電流磁場在轉子鐵心中的路徑。由此產生了兩類不同的無刷雙饋電機轉子結構：一是基于轉子電路設計的具有短路繞組的轉子；二是基于轉子磁路設計的磁阻轉子[6,7]。

無刷雙饋電機的轉子繞組有多種形式，可以采用單層同心式籠型短路繞組[8,9]，也可采用特殊設計的雙層繞組[10]。英國劍橋大學的Roberts等人對四種結構轉子繞組（特殊設計的單層和雙層短路繞組）的無刷雙饋電機進行了對比分析和實驗研究[11]。具有短路繞組的無刷雙饋電機轉子的優點是可采用與傳統感應電機相類似的制造工藝，缺點是轉子繞組電流會產生損耗。

無刷雙饋電機磁阻轉子一般有三種結構：在疊片轉子鐵心上開槽的凸極磁阻轉子[12,13]；采用軸向疊片各向異性的ALA（axially laminated anisotropic）隱極磁阻轉子[14,15]；徑向疊片隱極磁阻轉子[16,17]。磁阻轉子的優點是轉子沒有繞組電流損耗，缺點是軸向和徑向疊片的隱極轉子制造工藝復雜。普通開槽的凸極磁阻轉子雖然結構簡單易于制造，然而其對于定子繞組電流磁場的調制能力較差。

本文旨在尋求一種便于加工制造而又性能良好的無刷雙饋電機的新型轉子結構，通過在凸極磁阻轉子鐵心中適當地加入磁障，增加磁阻轉子對定子繞組電流磁場的調制能力，同時又可保持其結構簡單、成本低廉的優點。

2 不同磁阻轉子結構對于電磁轉矩的影響

無刷雙饋磁阻電機的轉子有多種結構型式，而具有代表性的是如圖1 所示開槽的凸極磁阻轉子和軸向疊片各向異性的隱極磁阻轉子（ALA 轉子）。徑向疊片隱極磁阻轉子在轉子磁路結構上與 ALA轉子相似。

由圖1 所示可以看出，凸極磁阻轉子結構簡單便于制造，而ALA 轉子的結構十分復雜難以加工，那么這兩種磁阻轉子無刷雙饋電機的性能相差有多少呢？表1 為采用場路耦合有限元法計算的同一定子（6 極功率繞組和2 級控制繞組）、相同氣隙和轉子外徑的兩種磁阻轉子無刷雙饋電機在500r/min 運行時的電磁轉矩對比，可以看出ALA 轉子的電磁轉矩是凸極轉子的4 倍。ALA 轉子之所以能比普通凸極磁阻轉子無刷雙饋電機電磁轉矩提高如此之多，可以從圖2 所示兩種轉子電機的磁場對比來說明。

圖1 兩種典型磁阻轉子結構Fig.1 Two typical reluctance rotors

表1 兩種磁阻轉子無刷雙饋電機電磁轉矩的對比Tab.1 Comparison of electromagnetic torque for BDFM with two different reluctance rotors

圖2 兩種磁阻轉子無刷雙饋電機的磁力線分布對比Fig.2 Comparison of flux line distribution for BDFM with two different reluctance rotors

根據磁場調制無刷雙饋電機的工作原理，6 極功率繞組和2 極控制繞組的無刷雙饋電機的等效磁場極數應為8 極，如圖2b 所示ALA 轉子電機的磁力線分布。而圖2a 所示凸極磁阻轉子電機的磁力線分布不像8 極磁場而更像4 極磁場，這是由于凸極磁阻轉子對定子上的6 極功率繞組和2 極控制繞組電流磁場的調制力度不夠所導致的。要想使轉子中的磁場呈現8 極，可以采用類似于ALA 轉子的結構，使凸極轉子鐵心中的磁力線從凸極的中間分開，強迫它們分別從每個凸極的兩側進入相鄰凸極。由此產生一種在凸極中間加入磁障限定轉子磁通路徑的磁障轉子結構，使其增強對于定子繞組磁場的調制作用，而又不失凸極磁阻轉子結構簡單便于制造的優點。

3 磁障轉子無刷雙饋電機的設計

3.1 磁障數量與結構對電磁轉矩的影響

為了研究在凸極上加入磁障的數量和形狀對電磁轉矩的影響，在相同電機結構尺寸和運行條件下，利用場路耦合瞬態時步有限元法，對比分析了圖3所示四種不同磁障結構無刷雙饋電機的性能。

圖3 不同磁障轉子的無刷雙饋電機結構Fig.3 Structures of BDFM with different magnetic barrier rotors

不同磁障數量與結構對電磁轉矩的影響如圖4所示，圖中還給出了在相同結構尺寸和運行條件下，磁障轉子與圖1 所示不加磁障的普通凸極磁阻轉子和ALA 轉子無刷雙饋電機電磁轉矩的對比。圖3a所示每極插入一條磁障的轉子，在相同運行條件下，其電磁轉矩為圖1a 凸極轉子電磁轉矩的1.85 倍；圖3b 所示每極插入三條磁障轉子為凸極轉子電磁轉矩的2.12 倍；圖3c 所示磁障轉子為凸極轉子電磁轉矩的2.55 倍；而圖3d 所示磁障轉子為凸極轉子電磁轉矩的3.02 倍，已達到ALA 轉子電磁轉矩的75%以上。

圖4 磁障數量與結構對于電磁轉矩的影響Fig.4 Influence of flux barrier’s number and structure on electromagnetic torque

圖3b、3c 和3d 雖然每極都是三條磁障，但磁障的形狀有所不同。圖3b 和3c 中轉子大槽底部的兩條磁障沒有連在一起，兩者之間的距離圖3b 大于圖3c。圖3d 中不僅轉子大槽底部的兩條磁障連在一起，而且極中間的磁障直通轉軸，其磁障結構更加接近于圖1b 所示的ALA 轉子。顯然，磁障數越多和磁障形狀越復雜，轉子對定子繞組電流磁場的調制作用越好。圖1b 所示的ALA 轉子，相當于每極有9 條磁障，故其性能較好。然而，隨著磁障數量與形狀復雜程度的增加，轉子的制造工藝復雜性和成本亦隨之增加。

3.2 磁障寬度和深度對電磁轉矩的影響

除了轉子磁障的數量和結構形狀外，磁障的寬度和深度對無刷雙饋電機的性能也有較大的影響。以圖5 所示在每個凸極中間僅加入一條磁障的轉子為例，對比分析磁障寬度和深度對電磁轉矩的影響。磁障寬度用圖5 中的b表示。磁障深度不用磁障的長度而用磁障底部與轉子鐵心內表面之間的距離d來表示，因為它更能反映磁障深度對轉子磁通路徑的影響。

圖5 單條磁障的寬度和深度Fig.5 Width and depth of the magnetic barrier

磁障寬度對電磁轉矩的影響如圖6 所示。可以 看出，隨著磁障寬度的增加，磁障對轉子磁通路徑的導向作用增加，因而電機的輸出電磁轉矩也隨之增加。然而磁障寬度的增加，使轉子齒的截面積減小導致齒部磁通密度的增加，因而磁障寬度不可過大，否則會導致轉子齒部磁通密度過大而使磁路過度飽和，因此只能在轉子磁路飽和程度允許的范圍內適當增加轉子磁障的寬度。

圖6 磁障寬度對于電磁轉矩的影響Fig.6 Influence of magnetic barrier’s width on electromagnetic torque

轉子磁障深度對電磁轉矩的影響如圖7 所示。可以看出，隨著圖5 所示轉子磁障d值的增加，電磁轉矩顯著減小，說明磁障底部與轉子鐵心內表面之間的距離越小越好，最好是極中間的磁障直通轉軸。

圖7 磁障深度對于電磁轉矩的影響Fig.7 Influence of magnetic barrier’s depth on electromagnetic torque

3.3 轉子極弧系數對電磁轉矩的影響

如何選取磁阻轉子凸極齒部寬度和槽部寬度的比例，使齒部磁路不過度飽和而又可產生較大的凸極磁阻轉矩，是磁阻轉子電機設計的關鍵技術之一。凸極寬度與槽部寬度的比例關系，通常采用極弧系數（凸極頂部所占轉子外圓極弧寬度與兩個凸極之間的極弧寬度之比）來表示。

在轉子每極單磁障尺寸不變和運行條件相同情況下，通過場路耦合有限元計算的極弧系數對電磁轉矩的影響如圖8 所示。可以看出，隨著極弧系數的增加，電機輸出的電磁轉矩隨之減少。然而，極弧系數也不可過小，否則會導致轉子齒部磁通密度過大而使磁路過度飽和。

圖8 極弧系數對于電磁轉矩的影響Fig.8 Influence of pole-arc coefficient on electromagnetic torque

4 磁障轉子無刷雙饋電機樣機的實驗研究

為了驗證本文所述磁障轉子無刷雙饋電機的可行性和設計方法的有效性，設計并研制了一臺磁障轉子無刷雙饋試驗樣機。樣機定子具有兩套獨立繞組，功率繞組為6 極，控制繞組2 為極。轉子極弧系數為0.4，每極僅有一條如圖5 所示的磁障，磁障寬2.5mm，磁障底部與轉子鐵心內表面之間的距離為 4.5mm，定子鐵心內、外徑分別為 170mm 和290mm，氣隙為0.4mm。

磁障轉子無刷雙饋電機樣機試驗研究采用發電機運行方式，試驗系統原理框圖如圖 9 所示。由PWM 變流器Ⅰ供電的感應電動機作為原動機，驅動磁障轉子無刷雙饋電機作為發電機運行，其控制繞組由PWM 變流器Ⅱ供電，功率繞組輸出接可調負載電阻。

圖9 無刷雙饋電機試驗系統原理框圖Fig.9 Schematic diagram of experimental system for BDFG

磁障轉子無刷雙饋電機試驗樣機的同步轉速為750r/min。樣機在低于和高于同步速且不同轉速（500r/min、600r/min、900r/min 和1 000r/min）下作變速恒頻發電機運行時，功率繞組輸出功率與控制繞組電流的關系曲線如圖10 所示。可以看出，當轉速不變時，功率繞組輸出功率隨著控制繞組電流的增加而增加；在控制繞組電流不變時，不同轉速下功率繞組的輸出功率相差不大。

圖10 不同轉速和控制繞組電流下功率繞組的輸出功率試驗曲線Fig.10 Tested output powers of power winding for different speeds and control winding currents

磁障轉子無刷雙饋發電機在低于同步速 500 r/min 運行時負載特性試驗值與設計仿真值的對比如圖11 所示。樣機在高于同步速1 000r/min 作變速恒頻發電機運行時功率繞組線電壓和控制繞組線電流測試波形與仿真結果的對比如圖12 所示。通過圖11 和圖12 可以看出，不同轉速下的功率特性和電壓與電流波形的測試結果，與基于場路耦合的仿真結果吻合較好。

圖11 500r/min 發電機運行不同控制繞組電流下功率 繞組輸出功率試驗與仿真值對比Fig.11 Comparison of tested with simulated output powers of power winding for different control winding currents at 500r/min

圖12 功率繞組線電壓和控制繞組電流試驗與仿真波形對比（1 000r/min，控制繞組電流23.6A）Fig.12 Comparison of tested with simulated voltage of power winding and current of control winding at 1 000r/min and control winding current of 23.6A

5 結論

基于以上對磁障轉子無刷雙饋電機的理論分析和實驗研究，可以得出如下結論：

（1）在電機結構尺寸相同情況下，通過在凸極磁阻轉子鐵心中適當加入磁障，可以有效地改善磁阻轉子無刷雙饋電機的性能，并保持其磁阻轉子結構簡單和成本低廉的優點。

（2）極弧系數、磁障數量和結構尺寸對于電機的性能有重要的影響，在轉子磁路不飽和的情況下，適當減小極弧系數和增加磁障數量及寬度，有利于提高電機的出力。

（3）樣機試驗不僅驗證了磁障轉子無刷雙饋電機設計方法的有效性，而且能夠在高于和低于同步速下實現變速恒頻運行，可用于電機調速系統和變速恒頻風力發電系統。

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