深槽式凸極轉子無刷雙饋電機有限元分析

薛 冰，胡 堃，樊 貝

(中國礦業大學，江蘇徐州221116)

0引 言

無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)是一種新式特種電機，因其結構簡單結實，功率因數可控制，調速機械特性硬，當用作變頻調速電動機時所需變頻器容量較小等特點，近年來越來越受矚目。BDFM由于沒有電刷，電機運行的可靠度和環境的適應能力大大加強，電機維護費用降低;而且它同時兼有各類交流電機共有優勢，可以自如地變換雙饋、同步、異步、電動模式;當用于變速恒頻恒壓發電機時，有功功率和無功功率可以靈活控制。多極數BDFM轉速低，適合作風力發電機不需要增速箱，使得風力發電成本大大降低，同時系統穩定且便于維護，所以在風力變速恒頻發電的應用方面，BDFM具有很好的自身發展優勢。

BDFM轉子典型種類有籠型和磁阻型。國內對籠型轉子研究很多，文獻［1］提出等距籠型新轉子結構，通過有限元分析得出此新型籠型轉子磁耦合強，高次諧波含量不多，而且它的轉子漏阻抗也非常少，具有較好的穩定性和效率;文獻［2］仿真對比分析了幾種不同籠型轉子BDFM磁耦合效果，得出靠近公共籠條的端環對籠型轉子的磁耦合貢獻最多;文獻［3］用一臺籠型轉子BDFM樣機通過實驗驗證了一種新的分析BDFM的場路耦合二維時步有限元方法的正確性。文獻［4］分析了籠型轉子結構的優化設計方案，并對各種優化方案進行了比較。以上文獻主要是針對籠型轉子BDFM進行研究，而對磁阻型轉子的研究相對較少，尤其對傳統凸極轉子的研究更少。磁阻型轉子靠自身結構實現轉子磁場耦合，籠型轉子則是通過轉子繞組電流完成轉子磁場耦合，且其不能阻礙恒定磁通。磁阻型轉子典型代表有凸極轉子和磁障式磁阻轉子，如圖1所示。

圖1 磁阻轉子結構BDFM

傳統凸極轉子結構簡單結實，便于加工，而磁障式磁阻轉子加工工藝繁瑣，不利于實際生產應用推廣，但是磁障式磁阻轉子磁場調制效果好，電機損耗小，運行穩定，而傳統凸極轉子的形狀決定了其磁場調制效果不理想，擁有大量諧波磁場，電機損耗高。本文通過Ansoft二維瞬態電磁場有限元分析方法，對帶有二極控制繞組、六極功率繞組的新型深槽式凸極轉子BDFM和傳統凸極轉子BDFM進行有限元分析，得到其空間磁場效應圖和空間磁密分布，并對比分析它們的磁場調制效果。

1無刷雙饋電機結構和原理

無刷雙饋電機的結構如圖2所示［5］。定子側含有兩個繞組，一個是功率繞組極數是2pp，直通工頻電源;另一個是控制繞組極數是2pc，由雙向變頻電源供電。功率和控制繞組間沒有磁場交叉耦合，其機電能量的轉換是通過轉子調制作用完成的，轉子的調制作用決定了電機的損耗大小及穩定度等參數。通過不斷地優化轉子結構，加強空間磁場中有用的pp和pc次諧波占有率，減弱其他沒用的有害諧波占有率，進而提高電機的運行穩定度和減小損耗［5］。

圖2 BDFM基本結構

2深槽式凸極轉子模型

轉子的結構決定了直軸和交軸磁阻大小不同，利用氣隙磁導對定子繞組磁動勢進行調制，使功率繞組和控制繞組產生的不同極數的磁場得以互相轉換［6］。凸極轉子形狀決定了dq軸方向磁阻差較小，對定子功率繞組和控制繞組的耦合能力弱，為了加大dq軸方向的磁阻差，提高轉子的磁場調制能力，結合磁障式磁阻轉子的結構特點，在凸極轉子鐵心上增加pr個深槽，諧波磁通路徑被深槽高磁阻率所限制，使轉子磁通路徑變為pr個，增加有效諧波占有率，減少有害諧波占有率，提高其磁場調制作用。為實現“極數轉換器”的作用，轉子極數選取采用“和調制”，本文采用控制繞組極數2pc=2，功率繞組極數2pp=6，和調制后轉子極數pr=4，即轉子擁有4個深槽，如圖3所示。

圖3 深槽式凸極轉子無刷雙饋電機

3 BDFM有限元分析

借助有限元分析軟件Ansoft，建立BDFM二維截面模型圖。為了方便對比分析深槽式凸極轉子和磁障式磁阻轉子磁耦合效果，將它們的定轉子結構參數取為一致，轉子鐵心除深槽外也一致，所通電壓電流也一樣。對于深槽寬度和長度選擇，可以通過對深槽寬度0．5～4．5 mm、每隔0．5 mm 進行有限元分析得知，在深槽寬度2～2．5 mm時，轉子調制效果最好，本文選擇2 mm;通過對深槽長度22～27 mm、每隔0．5 mm進行有限元分析得知，隨著長度的增加，轉子調制效果增強，但為了實際方便加工以及結構強度的考慮，深槽長度選擇24．5 mm，具體結構參數如表1所示。

表1 BDFM結構參數

利用仿真得到兩種轉子模型的有限元剖分圖如圖4所示，磁力線分布如圖5所示。從磁力線分布圖可以看出，經過優化設計的深槽式凸極轉子無刷雙饋電機磁力線路徑比傳統凸極磁阻轉子無刷雙饋電機磁力線路徑規則了很多，有效地減少了有害諧波磁場。

圖4 有限元剖分圖

從圖5(c)的定子兩套繞組一起勵磁時的磁力線分布圖容易看出，轉子的4個極相互對稱，完全滿足無刷雙饋電機極數調制的原理，可以實現機電能量轉換，產生穩定轉矩，從而佐證了本文的建模和有限元計算結果的正確性。

通過后處理計算得到它們的空間磁通密度分布圖如圖6、圖7所示。

借助MATLAB，傅式分解圖6，圖7的磁密波，計算出空間磁密各次諧波比例如圖8、圖9所示，其中有用的磁場諧波是一次和三次諧波。

觀察圖8、圖9可知，功率繞組單獨勵磁時，以三次諧波為基準，空間磁密中不但包含極對數為三的有效磁密，通過轉子磁場調制后還得到許多與控制繞組極對數一致的有效諧波磁密，深槽式凸極轉子的比例達到基波比例的55%，而凸極轉子的比例只達到基波比例的45%，而且其他沒用諧波磁密比例也比深槽式凸極轉子多;控制繞組單獨勵磁時，空間磁密中不但含有基波磁密，通過轉子磁場調制后還得到許多與功率繞組極對數一致的三次有效諧波磁密，深槽式凸極轉子的比例達到基波比例的60%，而凸極轉子的比例只達到基波比例的39%，同時深槽式凸極轉子的沒用諧波磁密比例也較后者少。

綜上所述，在凸極轉子基礎上通過優化設計得到的深槽式凸極轉子磁耦合能力比原來的凸極轉子好，并且無效次諧波磁密比例也大大降低，電機的效率和運行性能得到提高。

4結 語

本文在分析凸極轉子特點的基礎上，通過對凸極轉子的優化設計得到了深槽式凸極轉子結構，經過有限元分析得出，深槽式凸極轉子磁耦合能力比原來凸極轉子磁耦合能力好，改善了傳統凸極轉子磁耦合能力差、諧波含量大、電機效率和功率密度偏低的劣勢，新型深槽式凸極轉子BDFM不但結構簡單結實、方便制造、運行穩定、而且具有轉子調制效果好，運行性能好等優點，為磁阻類轉子無刷雙饋電機的實際應用奠定了基礎，也為無刷雙饋電機的優化設計開辟了新的方向。

［1］ 鄧先明，方榮惠，王抗．等距籠型轉子無刷雙饋電機的有限元分析［J］．電機與控制學報，2009，1(4):507-510．

［2］ 韓力，高強．無刷雙饋電機籠型轉子結構對磁場調制的影響［J］．電機與控制學報，2009，13(2):161-167．

［3］ 王愛龍，熊光煜．無刷雙饋電機時步有限元分析［J］．中國電機工程學報，2008，28(21):123-127．

［4］ 劉憲栩，章瑋．籠型無刷雙饋電機轉子優化設計和有限元分析［J］．微電機，2007，40(1):20-21．

［5］ 胡堃，何鳳有，薛冰．深槽式籠型轉子無刷雙饋電機的仿真分析［J］．微特電機，2011(11):34-43．

［6］ 王鳳翔，張鳳閣等．不同轉子結構無刷雙饋電機轉子磁耦合作用的對比分析［J］．電機與控制學報，1999，3(2):113-116．