新型轉子無刷雙饋電機電磁設計*

王秀平， 張鳳閣

(1.沈陽工業大學，遼寧沈陽 110870;2.沈陽工程學院，遼寧沈陽 110136)

0 引言

無刷雙饋電機是眾多學者們關注的新型交流感應電機。它具有許多優點，結構簡單，無刷可靠，所需要的變頻器容量較低，非常適用于變速恒頻風力發電［1-2］。

無刷雙饋電機源于單定子自級聯感應電機，在相同磁路中產生了兩個不同極數的氣隙磁場［3］，經過 Hunt和 Broadway 的改進之后，該電機魯棒性和可靠性再次引起了學者的興趣。當時，無刷雙饋電機具有兩套不同極數的定子繞組，由工作原理希望兩套繞組之間沒有直接的耦合關系，他們的耦合僅依靠轉子。因此，轉子是影響無刷雙饋電機的耦合性能的主要因素，尋求良好性能的轉子結構是學者們研究的熱點問題之一。

無刷雙饋電機的轉子結構首先具有對兩套定子繞組具有良好的“極數轉換器”的作用，也就是在機電能量轉換中產生較高的有用諧波及參數較低的無用諧波。轉子結構還需要具有良好的動態和靜態性能，并且從工藝上易于實現。

Broadway 和 Burbidge［4］提出了籠型轉子結構，并將其應用于無刷雙饋電機，Richard Mcmahon［5］設計了籠型轉子和繞線型轉子，并對這兩種轉子結構電機進行了對比研究。Longya Xu［6］研究了徑向疊片磁阻轉子結構的無刷雙饋電機，并用試驗證明了電機本體上達到了96%的高效率。王雪帆研究了基于齒諧波原理和變極原理的繞線轉子無刷雙饋電機［7］，并證明了該類型轉子無刷雙饋電機具有良好的效率。

研究并尋求高效率，同時結構簡單、工藝易于實現的無刷雙饋電機轉子結構，依然是學者們研究的目標。論文在分析了無刷雙饋電機的結構之后，對新型的轉子結構進行了分析，得到了優化的轉子結構形式，為無刷雙饋電機的推廣應用及轉子的設計提供了新選擇。

1 無刷雙饋電機的原理與結構

無刷雙饋電機定子上有兩套不同極數的三相對稱繞組，定子功率繞組，極數為2pp，運行時直接與電網相連，定子控制繞組，極數為2pq，運行時通過雙向變頻器與電網相連。兩個極數與轉子極對數pr的關系如下:

因為兩套定子繞組具有不同的極數，他們所產生的不同極數的兩個磁場共同存在于同一鐵心中。功率繞組和控制繞組的作用相當于傳統的繞線式異步電機的定子和轉子繞組，其結構形式如圖1所示。

圖1 無刷雙饋電機結構示意圖

無刷雙饋電機具有多種運行方式［8-9］，包含異步單饋運行方式，同步運行方式和雙饋運行方式等。轉子轉速與電磁轉矩無關，滿足式(2):

這里ω1和ω2分別是定子功率繞組和控制繞組的角頻率。當控制繞組接直流時，電機的自然同步轉速為

多種運行方式的優勢使無刷雙饋電機特別適用于變速恒頻風力發電機系統。

2 無刷雙饋電機的設計

2.1 定子設計

無刷雙饋電機在雙饋運行方式時，兩套定子繞組均被激勵，所產生的兩個不同極數的旋轉磁場，依賴特殊轉子的磁場調制作用，兩定子繞組之間沒有直接的耦合關系。因此，對于不同的轉子結構，只要滿足極數關系，定子可以相同，單定子單轉子結構被多數學者們所認可。定子繞組分為單繞組和雙繞組結構，但是單繞組結構的優點是節約銅線，槽滿率低，易于嵌線，但是它對兩套繞組的限制較多，有些情況甚至無法實現，工藝上也復雜。雙繞組結構的設計思想是兩套定子繞組獨立設計，非常容易實現不同極數的配合，原理上特別易于實現，因此被多數研究者所采用。為了減少高次諧波和互感電動勢，定子繞組選擇用雙層和短距繞組，實現方式與常規異步電機無異。設計無刷雙饋電機樣機定子尺寸如表1所示。

表1 無刷雙饋電機定子結構參數

圖2顯示了雙層定子繞組的槽電動勢星形圖。為減少制造成本，定子鐵心選用現成的Y系列電機的定子沖片，相對于傳統的異步電機，產生相同的功率，定子內徑約需擴大30%。

圖2 槽電動勢星形圖

2.2 轉子設計

目前無刷雙饋電機還沒能應用于工業生產中，重要的原因在于該電機的磁場調制能力不高，從而導致電機的效率不高。轉子在機電能量轉換中起著決定性作用，因此尋求良好磁場調制性能的轉子結構，是提高該電機效率和推進產業化的關鍵所在。無刷雙饋電機主要有兩類轉子，籠型轉子和磁阻類轉子。籠型轉子磁場調制能力不高，而且轉子籠條電流流過存在銅耗，因此效率不高;磁阻類轉子分為普通凸極磁阻轉子、磁障式磁阻轉子和混合轉子。論文對上述四種轉子進行了有限元分析，根據氣隙磁通密度的傅里葉分解，研究有用諧波的大小，得到他們的磁場調制能力。12/8極四種不同轉子結構的無刷雙饋電機有限元模型如圖3所示。前期研究已經證明，普通磁阻轉子無刷雙饋電機(圖3(b))的磁耦合能力較弱，為了改變磁通流向，使跨極磁通進一步減少，在普通磁阻轉子的凸極上加上隔磁層，增大d軸磁通，減少q軸磁通，有望增強磁場調制效果，稱為磁障式磁阻轉子，如圖3(c)所示。圖3(d)是一種新型的轉子結構形式，在磁障式磁阻轉子基礎上，加上公共籠條，籠條沿軸向均勻放入，并將兩個端部都短路，這樣做可以為電機輸出更大的電磁轉矩。

圖3 不同轉子結構無刷雙饋電機

利用有限元分析軟件，對磁場調制能力進行分析。圖4顯示了混合轉子氣隙磁密和有效諧波大小。從圖4可看出機電能量轉換的過程，當功率繞組單獨激勵時，產生了最大的6次諧波(12極)和較大的4次諧波(8極)，同理，當控制繞組單獨激勵時，產生了最大的4次諧波和較大的6次諧波。當無刷雙饋電機運行時，氣隙中所產生的有用諧波(即6次諧波和4次諧波)通過上述轉子完成能量交換。

圖4 新型轉子無刷雙饋電機氣隙磁密波形和氣隙磁密傅里葉分解

圖5顯示了四種不同轉子結構無刷雙饋電機在功率繞組和控制繞組分別單獨激勵時的諧波大小。由圖5可看出，按照籠型轉子、凸極磁阻轉子、磁障式磁阻轉子和籠條及磁障結合式轉子的順序，不管是8極繞組單獨激勵，還是4極繞組單獨激勵，其氣隙磁場中有用諧波(4次和2次諧波)的含量逐步增大，而對機電能量交換無用的高次諧波含量逐步減小，具有明顯的規律性，證明了四種轉子的磁場調制能力從前往后逐步增大。籠條和磁障混合轉子具有最優的磁場調制效果，并且具有良好的起動性能，是一種有著廣闊前景的新型結構轉子形式。

圖5 不同轉子在單獨激勵時諧波大小

圖5中，轉子類型和曲線代號分別表示為

1——籠型轉子;

2——普通凸極磁阻轉子;

3——磁障式磁阻轉子;

4——籠條和磁障混合轉子;

Curve1——4次諧波(8極)含量大小;

Curve2——2次諧波(4極)含量大小;

Curve3——高次諧波(前30次)含量大小。

3 結語

無刷雙饋電機在風力發電系統和交流調速領域具有廣闊的應用前景。論文研究了幾種不同轉子結構無刷雙饋電機的磁場調制能力，并提出了最優轉子結構形式，結論如下:

(1)無刷雙饋電機定子電磁設計可參照常規交流電機進行，其定子沖片也可借助現有系列電機沖片來應用。

(2)轉子設計是無刷雙饋電機設計的關鍵，對四種常見轉子結構進行分析，利用有限元對磁場進行計算，通過分析氣隙磁密中有效諧波的大小，來分析不同轉子結構的磁場調制能力。

(3)論文研究表明:籠條和磁障混合轉子結構，具有優異的磁場調制能力，是一種極具前景的新型轉子結構。

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