不同轉子結構無刷雙饋電機的電磁和動態(tài)特性分析

胡 堃，樊 貝，薛 冰

(中國礦業(yè)大學，江蘇徐州221008)

0引 言

無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)是近年來發(fā)展起來的一種新型交流感應電機［1］。其定子鐵心中一般放置有兩套獨立的繞組;轉子基本可分為兩大類，即籠型轉子和磁阻轉子，兩種轉子的磁場調制機理不同。BDFM既可以作為交流調速電機，又能作為變速恒頻發(fā)電機，且易于調節(jié)電機的有功功率和無功功率［2］。由于實現了無刷化，減小了維護的成本，提高了電機的可靠性。BDFM的控制繞組只承擔了整個電機容量的一小部分功率，所以變頻器的容量也相對減小。同時BDFM可以實現異步運行、亞同步、超同步等多種運行方式，因此對BDFM進行深入的研究具有十分重要的意義［3-6］。

BDFM的轉子結構直接影響定子兩套繞組之間的磁耦合，基本上決定了磁場調制作用的效果，同時轉子結構的不同，電機的動態(tài)特性也會相應改變。現有的文獻中，幾乎沒有對籠型轉子和磁障式磁阻轉子BDFM的牽入特性進行具體的對比分析，而且很多采用MATLAB/Simulink對BDFM的動態(tài)特性進行仿真，如文獻［9］、文獻［10］，都做了很多簡化和假設，如假設氣隙均勻，忽略定子槽的開口，只考慮基波磁動勢的影響等，而這些忽略的因素對分析電機的耦合場和動態(tài)特性有很大的影響。本文基于Ansoft/Maxwell 2D強大的電磁場有限元計算功能，設計了具有代表性的籠型轉子和磁障式磁阻轉子，分析對比了兩種轉子的磁場調制效果，為轉子的進一步優(yōu)化設計提供了參考。在此基礎上，利用Ansoft/Maxwell中的二維瞬態(tài)有限元計算法分析對比了兩種轉子的牽入特性和負載變化時的穩(wěn)定性，給出了相應的轉速轉矩波形。

1 BDFM的工作原理

BDFM的結構和工作原理在許多文獻中都有描述，例如文獻［3］中就有具體的敘述。本文為分析方便，在此對工作原理只做簡單介紹。該電機的基本結構與普通電機的結構相似，但又有所不同，其中定子繞組分為單繞組結構和雙繞組結構。在單繞組結構中，控制繞組和功率繞組共用一套繞組。在雙繞組結構中，定子鐵心中有功率和控制兩套獨立的繞組。功率繞組通入電網電源，極對數和頻率分別記為pp和fp;控制繞組則由變頻電源供電，極對數和頻率分別記為pc和fc。兩套定子繞組的極數通常不同，兩者之間沒有直接的電磁耦合作用，兩套繞組的耦合完全依靠轉子的調制［3］，其中轉子的極數為pr=pp+pc。當電機運行時，轉子的轉動使定子繞組兩種不同極數的磁場相互耦合，從而實現電機的機電能量轉換。目前由于雙繞組設計容易實現和接線簡單，大部分采用這種結構設計來仿真、實驗和研究，結構原理如圖1所示。

圖1 BDFM的基本結構

通過對BDFM的磁動勢分析和數學模型推導可知，BDFM穩(wěn)態(tài)運行時，其轉速n與兩套繞組電源頻率fp、fc和極對數 pp、pc有關。其轉速 n表達式［3-10］:

由式(1)知，轉速n與變頻器的輸出頻率fc保持線性關系。當fc=0時，BDFM運行在自然同步狀態(tài)下，此時BDFM具有普通同步電機的特性，調節(jié)控制繞組電流的幅值，就可以調節(jié)電機的功率因數;當fc≠0時，BDFM運行在雙饋調速狀態(tài)下，fc前取“+”時，表示通入兩套繞組的電流同相序［4］，BDFM工作在超同步狀態(tài);fc前取“-”時，表示通入兩套繞組的電流反相序，BDFM工作在亞同步狀態(tài)，此時通過調節(jié)控制繞組電流的幅值和相位，就可以實現功率因數、無功功率和有功功率的調節(jié);控制繞組短路時，BDFM的運行特性與異步電動機相似。可見BDFM工作在雙饋調速狀態(tài)時，其轉速只與控制繞組頻率fc有關，通過改變fc就可以方便地調節(jié)電機的轉速。

2轉子結構的設計

BDFM的轉子是整個電機設計最為關鍵的部分，因為不同極數的定子繞組磁場需要在轉子中進行調制，其調制能力的強弱直接影響到電機的耦合能力和功率密度等相關特性，因此轉子的結構在BDFM的設計中十分重要。考慮到定子兩套繞組的極對數之間的關系對磁場耦合的影響，為了避免共存于同一電機中的兩個不同極數的磁場產生不對稱磁拉力和電磁噪聲，要求:pp-pc≥2;為了減少和消除定子磁場的直接耦合，極對數需要滿足偶數倍或3 倍的關系［5］，即 pp=2kpc或 pp=3kpc，k=1，2，3，…。本文為了分析方便，綜合考慮，選擇功率繞組極數為6，控制繞組極數為2，即pr=4。本文BDFM定子部分完全相同，轉子模型(其中籠型轉子短路環(huán)在圖中未畫出)如圖2所示，具體參數如表1、表2所示。

圖2 BDFM轉子模型

表1 籠型轉子的設計參數

表2 磁障式磁阻轉子的設計參數

3不同轉子結構的BDFM的氣隙磁密分析

為了比較不同轉子結構的磁場調制效果，在上述建立的BDFM模型的功率繞組中通入380V、50Hz的工頻電壓，控制繞組短接。利用Ansoft/Maxwell進行有限元電磁場計算，得到的磁力線如圖3所示，氣隙磁通密度波如圖4所示。

圖3 BDFM功率繞組勵磁時的磁力線

圖4 BDFM功率繞組勵磁時的氣隙磁通密度波

由機電能量轉換原理和pp=3，pc=1可知，當功率繞組勵磁時，由圖3、圖4可以看出，在氣隙磁場中含有極對數為3的基波磁場和與控制繞組極對數相同的諧波磁場，這兩種諧波磁場是具有機電能量轉換作用的有效次諧波磁場［6-8］，故氣隙中這兩種諧波磁場含量的多少，直接關系到轉子的磁場調制效果的好壞。為了更清楚地說明氣隙諧波含量之間的關系，通過快速傅里葉變換，對氣隙磁通密度波進行諧波頻譜分析，以3次諧波為基準(氣隙磁通諧波含量為100%)，得到的結果如圖5所示。

圖5 BDFM功率繞組勵磁時氣隙磁通諧波含量

從圖5中可以得到，籠型轉子的基波含量為43%左右，磁障式磁阻轉子的基波含量為64%左右，在相同條件下磁障式磁阻轉子的磁場調制效果比籠型轉子好。從圖5中也可以得出，磁障式磁阻轉子的高次諧波也較小，所以產生的諧波電動勢也較小，電機損耗相對減少，可以提高電機效率。同時磁障式磁阻轉子上沒有繞組和導條，大大降低了轉子銅耗、磁滯損耗和渦流損耗，轉子無發(fā)熱問題，從而該種轉子可以作為BDFM轉子優(yōu)化設計的一個方向。

4 BDFM動態(tài)特性仿真研究

BDFM在控制繞組不同的供電方式下，將運行在不同的狀態(tài)。其牽入能力直接關系到BDFM能否在不同的狀態(tài)之間穩(wěn)定地切換運行，包括由單饋異步到自然同步和單饋異步到亞同步、超同步三種情況。在實際應用中，BDFM可能只工作在一種狀態(tài)下，但要實現自然同步、亞同步和超同步運行時，則必須要經過上述牽入過程，所以對不同轉子BDFM的三種牽入過程和穩(wěn)定性進行研究很有必要。

籠型轉子的極數轉換是靠轉子電流來實現的［5］。狀態(tài)轉換時，由于電抗的存在，轉子電流必然要經過一個電氣調整過程，才能過渡到下一狀態(tài)，機電時間常數較大，而磁障式磁阻轉子依靠本身的磁阻作用來實現極數轉換，則不存在上述問題，故理論上磁障式磁阻轉子BDFM比籠型轉子BDFM的動態(tài)響應能力快。為了便于比較分析，兩種轉子結構BDFM的功率繞組中都通入380 V、50 Hz的交流電，其中籠型轉子BDFM在0．8 s時，采用“兩并一串”通入20 V直流電、60 V、10 Hz正反相序的交流電，磁障式磁阻轉子BDFM則在1 s時分別通入以上三種相同的電壓，同時在1．5 s和1．8 s時給自然同步、亞同步和超同步運行的BDFM加上40 N·m的負載。

4．1自然同步運行動態(tài)特性

由圖6、圖7可以看出，兩種轉子結構BDFM均具有自起動能力，籠型轉子的空載起動時間大約為0．44 s，最大起動轉矩為80 N·m;磁障式磁阻轉子的空載起動轉矩較小，起動時間較長，大約為0．75 s，最大起動轉矩為50 N·m。單饋異步運行時，穩(wěn)態(tài)空載轉速大約為750 r/min，轉差率很小，轉速較平穩(wěn)。通入直流電以后，可以看到轉速轉矩在瞬間有比較大的波動。籠型轉子結構BDFM的轉速跌落至600 r/min，最大轉矩波動為108 N·m，0．3 s過后轉速被牽入在750 r/min;磁障式磁阻轉子BDFM的轉速波動較小，轉速跌落到695 r/min，最大轉矩波動為32 N·m，0．25 s后轉速被牽入穩(wěn)定在750 r/min，此時電機在自然同步狀態(tài)下運行。帶上40 N·m負載后，磁障式磁阻轉子的轉速轉矩波動也較籠型轉子小，籠型轉子的最大波動轉矩達到了94 N·m，磁障式磁阻轉子則為88 N·m。所以由單饋異步牽入自然同步時，磁障式磁阻轉子BDFM具有較好的動態(tài)響應能力，而且機械負載變化時穩(wěn)定性也比籠型轉子好。

4．2亞同步運行動態(tài)特性

由圖8、圖9可以看到，通入反相序的交流電以后，籠型轉子BDFM的轉速跌落至530 r/min，最大轉矩波動為-96 N·m，0．4 s后轉速被牽入穩(wěn)定在600 r/min;磁障式磁阻轉子BDFM在被牽入亞同步后轉速波動較小，轉速跌落到570 r/min，最大轉矩波動為-82 N·m，0．2 s后轉速被牽入穩(wěn)定在600 r/min。電機帶上40 N·m的負載后，籠型轉子的轉矩波動較大，最大達到了128 N·m;而磁障式磁阻轉子則為90 N·m，說明由單饋異步牽入亞同步情況下，磁障式磁阻轉子BDFM不但具有較好的牽入特性，而且?guī)лd穩(wěn)定性也較好，在電機最大負載限度內，轉速維持不變，體現了良好的同步電機特性。

4．3超同步運行動態(tài)特性

由圖10、圖11可以看出，籠型轉子BDFM的轉速在0．08 s內提升至990 r/min，最大轉矩波動為72 N·m，在0．6 s后轉速被牽入穩(wěn)定在900 r/min;磁障式磁阻轉子BDFM在被牽入超同步后轉速波動較小，在0．04 s內提升到958 r/min，最大轉矩波動為82 N·m，在0．55 s后轉速被牽入穩(wěn)定在900 r/min。電機帶上40 N·m負載后，籠型轉子最大轉矩波動為80 N·m;而磁障式磁阻轉子則為83 N·m，可以看到轉速的波動還是比較大，達到穩(wěn)定的時間也比亞同步長。說明由單饋異步牽入超同步情況下，磁障式磁阻轉子BDFM比籠型轉子BDFM具有更好的牽入特性，這與牽入亞同步相似，但在穩(wěn)定性方面兩種轉子都不太理想，這與文獻［4］中得到的在雙饋運行時盡可能工作于同步速和亞同步速，以保證電機具有較高的穩(wěn)定性相一致。

綜上所述，兩種轉子在不同的運行方式下，轉速大小與式(1)的理論值完全相等，從而說明上述建立的有限元模型和仿真結果的正確性。同時在相同激勵和外部條件下，籠型轉子BDFM具有較好的起動性能，而磁障式磁阻轉子BDFM具有較好的牽入動態(tài)特性，即狀態(tài)轉換后經動態(tài)調整達到穩(wěn)態(tài)轉速的時間較短，實際仿真結果與理論分析相一致。

5結 論

本文對兩種典型轉子的氣隙磁場進行了比較系統(tǒng)的有限元計算，通過諧波頻譜分析，對比了兩種轉子的磁場調制效果。同時對比分析了兩種轉子的起動、牽入特性和機械負載變化時的穩(wěn)定性。從而得到如下的結論:

(1)由頻譜分析可知，磁障式磁阻轉子的磁場調制效果要好于籠型轉子。

(2)單饋異步空載起動時，籠型轉子起動轉矩大，起動時間短，而磁障式磁阻轉子由于本身結構的原因，起動轉矩小，起動時間較長。

(3)在由單饋異步運行牽入自然同步、亞同步和超同步運行時，磁障式磁阻轉子的動態(tài)響應比籠型轉子快，響應時間短。但在超同步運行時，兩種轉子穩(wěn)定性方面都比在自然同步和亞同步運行時稍差一些。

今后研究的重點還是在轉子的優(yōu)化設計上，希望本文的仿真和結論，能夠為BDFM的研究工作者提供一定的參考。

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