無刷雙饋電機復合轉子結構參數的優化設計

張鳳閣 王秀平,2賈廣隆 金 石

（1.沈陽工業大學電氣工程學院 沈陽 110870 2.沈陽工程學院電力學院 沈陽 110136）

1 引言

無刷雙饋電機（Brushless Doubly Fed Machine,BDFM）是一種新型交流電機，可以實現自起動與異步運行、同步和雙饋等多種運行方式，具有結構簡單、無刷可靠、功率因數可調，所需要變頻器容量較小等優點，特別適合做成多極數電機，在交流調速和變速恒頻發電領域具有廣闊的應用前景[1-3]。近幾年，國內外學者對BDFM的本體結構、參數計算、穩定性分析和智能控制方法[4-6]進行了較為深入的研究，在產業化進程中取得了較大進展。

BDFM定子上嵌有極數不同的兩套繞組，一套為功率繞組，運行時與電網直接相連；另一套為控制繞組，運行時通過變頻器與電網相連。BDFM兩套定子繞組通過特殊轉子的磁場調制作用進行耦合，轉子在BDFM運行中起著“極數轉換器”的作用，其性能好壞直接影響著BDFM功率密度和效率。因此，BDFM轉子結構的設計成為國內外學者們的研究熱點之一。

BDFM的轉子類型主要分為：籠型轉子、磁阻轉子、繞線轉子等。籠型轉子中的轉子導條產生感應電流，該電流與定子繞組產生的磁場相互作用來完成機電能量轉換。英國劍橋大學的 Roberts對比分析了單層和雙層短路籠型轉子繞組，并進行了實驗研究[4]；中國礦業大學鄧先明等對籠型電機的電磁關系和運行規律進行了深入研究[7,8]。籠型轉子的優點是可采用類似傳統感應電機的轉子制造工藝，缺點是籠條中的電流產生了損耗，且耦合能力也不夠理想。磁阻轉子則是依靠氣隙磁導不同進行磁場調制的，轉子上不存在電流，因此不存在轉子銅耗。磁阻轉子主要有三種結構：普通凸極磁阻轉子[9]、各向異性軸向疊片磁阻轉子[10]。普通凸極轉子制造工藝簡單，但是磁場調制能力較差，各向異性軸向疊片磁阻轉子提高了磁場調制能力，但制造工藝復雜。基于“變極法”和“齒諧波法”[11]，華中科技大學提出了一種新型繞線轉子結構，克服了籠型轉子導體利用率低、諧波含量大的缺點，能夠對轉子導條“重復利用”。但是該轉子繞組的制造工藝復雜，設計靈活性受到限制。

基于上述轉子存在的問題，本文提出了一種便于加工制造同時具有優良性能的隔磁磁障和短路籠條相結合的復合轉子結構。該種轉子的結構特點為：在徑向疊片磁阻轉子鐵心中加入磁障層，并在構成的磁障式磁阻轉子中加入短路籠條，兩個端部分別短路連接。借助有限元分析軟件，對轉子進行優化設計，通過對比分析得到具有較強的磁場調制能力的轉子結構，并研制一臺120kW樣機進行實驗驗證。

2 BDFM樣機參數和體現耦合能力的關鍵因素

為了進行轉子的優化設計，本文采用的方法是在定子結構和運行條件保持不變的情況下，改變轉子的結構尺寸或參數，通過對比，分析不同轉子參數下的磁場調制能力，以確定轉子結構形式及尺寸。BDFM樣機的主要參數見表1。

BDFM是通過氣隙磁場中的有用諧波來完成機電能量轉換的。因此只要保證其它條件相同，通過對具有不同轉子類型、結構和尺寸的BDFM氣隙磁場中的有用諧波和無用諧波含量進行對比分析，便可比較出不同轉子的耦合能力。本論文研究的BDFM極數為8/4，因此氣隙磁場中的4次諧波和2次諧波為實現機電能量交換的有用諧波，其它次諧波均為不參與能量轉換的無用諧波。利用有限元分析法，先對8極繞組單獨激勵，分析通過轉子的磁場耦合作用，產生的 2次諧波(對應 4極)含量和其它次無用諧波的含量，然后對4極繞組激勵，分析氣隙磁場中4次諧波（對應8極）和其他次無用諧波的含量，來比較轉子的磁場耦合能力。有用諧波含量高，同時無用的諧波含量越低，也就增大了交軸磁阻且減小了直軸磁阻，凸極效應更明顯，轉子的耦合能力因而就越強[12]。

表1 無刷雙饋電機主要參數Tab.1 The main parameters of the brushless doubly fed machine

3 BDFM不同轉子耦合能力對比

采用有限元分析法，研究BDFM不同類型轉子的耦合能力。圖1分別給出了籠型轉子、普通凸極轉子、磁障式磁阻轉子和復合轉子的有限元模型。圖1d顯示的即為本文提出的復合轉子。

對圖1所示的四種不同類型轉子BDFM分別進行單邊激勵，并進行磁場計算和氣隙磁通密度分析，得到它們的諧波含量如圖2所示，其中將籠型轉子、凸極磁阻轉子、磁障式磁阻轉子和復合轉子依次命名為類型代號 1、2、3和 4。可以看出，不管是 8極功率繞組單獨激勵，還是4極控制繞組單獨激勵，轉子 1、2、3、4氣隙磁場中的有用諧波(4次和 2次諧波)的含量依次增大，而對機電能量轉換無用的高次諧波含量依次減小，具有明顯的規律性，因此上述四種轉子的磁場耦合能力是依次增強的，所提出的復合轉子的耦合能力最強。

圖1 四種不同類型轉子的有限元模型Fig.1 Four different rotor FEA models

圖2 四種不同轉子的耦合能力Fig.2 Coupling capability of four rotors

4 BDFM新型復合轉子的優化設計

4.1 極弧系數對BDFM耦合能力的影響

極弧系數的大小影響氣隙磁通密度的諧波含量和飽和程度，因而對轉子的耦合能力有重要影響。本文以普通凸極轉子為例，探討極弧系數的選擇依據。建立極弧系數分別為0.3、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75等情況下的 BDFM 有限元分析模型，并進行有限元分析。當功率繞組（8極）單獨激勵時，對氣隙磁通密度進行頻譜分析，分析所產生的2次諧波和4次諧波的大小；同理，分析當控制繞組（4極）激勵時，對氣隙磁通密度進行頻譜分析，分析所產生的4次諧波和2次諧波的大小，從而獲得極弧系數的取值范圍。

極弧系數對氣隙磁通密度有用諧波的影響如圖3所示。可以看出，功率繞組單獨激勵時，隨著極弧系數逐漸增大，4次諧波逐漸增大，而2次諧波逐漸減小；控制繞組單獨激勵時，隨著極弧系數的逐漸增大，2次諧波逐漸增大，4次諧波逐漸減小；兩套繞組共同勵磁時，隨著極弧系數的增大，對機電能量交換有用的4次和2次諧波均增大，當極弧系數大于0.73時，氣隙磁通密度有用次諧波開始下降，因此從有效諧波的角度來看，極弧系數的取值范圍應為0.68~0.73，但考慮到加入磁障后帶來的飽和影響，極弧系數應大于0.7，即極弧系數的合理取值范圍為0.7～0.73。

圖3 極弧系數對氣隙磁通密度有用諧波的影響Fig.3 Effect of pole arc factor on air-gap flux density effective harmonics

4.2 磁障式磁阻轉子導磁層數對BDFM耦合能力的影響

磁障式磁阻轉子導磁層數對磁場調制作用的影響很大，合理的選取導磁層數也是提高磁場調制能力的重要因素。建立導磁層數為1～6的BDFM有限元模型，進行磁場分析，對不同導磁層數的BDFM進行單邊勵磁，計算氣隙磁場諧波，其結果見表2。

表2 轉子導磁層數對耦合能力影響Tab.2 Effect of rotor magnetic layer numbers on coupling capability

從表2可以看出：隨著導磁層和隔磁層數的增加，無論是8極激勵還是4極激勵，產生的有用諧波（2次和 4次）含量均得到了提高，因此，導磁層和隔磁層數越多，磁場調制效果就越好。當然在計算過程中也要兼顧轉子的飽和情況。當導磁層數大于4層后，磁場調制能力的改善情況明顯趨緩，考慮到制造成本，層數越多，成本會明顯增大，因此轉子的導磁層數選定為3～4層。

4.3 磁障式磁阻轉子導磁層與非導磁層寬度比對BDFM耦合能力的影響

磁障式磁阻轉子的非導磁層能夠促使磁通沿著有利于機電能量轉換的路徑流通。導磁層與非導磁的寬度比也影響著磁場調制能力。以4層導磁層為例，導磁層與非導磁寬度比依次選取為 1:1、3:2、2:1和4:1，分別進行有限元分析和計算，得到轉子導磁層與非導磁層寬度比對耦合能力的影響見表3。

表3 導磁層與非導磁層寬度比對耦合能力的影響Tab.3 Effect of magnetic and non-magnetic layer ratio on coupling capability （%）

從表3可以看出：無論是8極繞組單邊激勵，還是4極繞組單邊激勵，所產生的4次和2次諧波占各次諧波均方根值百分比均在導磁層與非導磁層寬度為 2:1處獲得最大值，即在導磁層與非導磁寬度比為2:1時候獲得了最佳的磁場調制能力。因此，根據計算結果，選擇導磁層與非導磁層寬度比為2:1。

4.4 有無公共籠條對BDFM耦合能力的影響

圖1c為磁障式磁阻轉子，在其凸極中心線處開槽并放置短路籠條，然后兩端分別短路連接，便形成了只有公共籠條的復合轉子，如圖1d所示。進行有限元法分析時，由外電路施加交流電壓源，并在外電路中對公共籠條進行設置，使轉子轉速恒定，電機處于發電機運行，即采用了場路耦合瞬態有限元分析方法，得到兩套定子繞組分別單獨勵磁時氣隙磁通密度的諧波分布情況，以便對復合轉子的耦合能力進行分析和研究。

圖4a和4b分別給出了磁障磁阻轉子和復合轉子 BDFM 單邊繞組勵磁時氣隙磁通密度的諧波分量，當8極繞組單獨激勵時，磁障式磁阻轉子和復合轉子BDFM，所產生的2極諧波所占基波的比值，由60%增加到66%；當4極繞組單獨激勵時，磁障式磁阻轉子和復合轉子BDFM，產生的4次諧波所占基波的比值由110%增加到123%，因此，當加入公共導條之后，轉子的磁場耦合能力提高了10%左右。

圖4 BDFM單邊繞組激勵時氣隙磁通密度的頻譜圖Fig.4 The air-gap flux density spectrum charts of BDFM under different single excitation

4.5 短路籠條組數對BDFM耦合能力的影響

采用場路耦合有限元分析法，分別對公共籠條、公共籠條加一組短路籠條、公共籠條加兩組短路籠條條，及公共籠條加三組短路籠條等四種情況進行分析計算，其有限元模型和短路籠條示意圖如圖5所示。計算得到氣隙磁通密度，其變化規律見表4。

圖5 不同組數短路籠條復合轉子BDFM有限元模型和短路籠條示意圖Fig.5 Integrated rotor BDFM construction while adding to different groups short-circuit ring and diagram of short-circuit ring

從表4可以看出，當增加短路籠條組數時，無論是8極繞組單邊激勵，還是4極繞組單邊激勵，有用諧波占基波的比值均呈增大趨勢，說明了短路籠條提高了轉子的耦合能力，但是，提高的程度并不大，而且考慮到樣機的加工制造成本，每增加一組短路籠條，將使制造費用大幅增加，因此，本文研制的樣機轉子僅加入公共籠條。

表4 短路籠條組數對BDFM磁場耦合能力影響(比值)Tab.4 Effect of short-circuit ring number on coupling capability

4.6 公共籠條層數對BDFM耦合能力的影響

對于加入一組公共短路環構成的復合轉子，公共籠條的層數對BDFM的耦合能力也產生影響，這是因為BDFM在運行時轉子頻率遠高于普通異步電機的轉子頻率，因此轉子籠條中存在“趨膚效應”的影響。公共籠條設計為1層時，籠條中的電流集中分布在籠條頂部，限制了電流的增大，因而減低了籠條對BDFM耦合能力和輸出轉矩的貢獻。公共籠條分別設計為1層、2層、3層和4層，有限元模型如圖6所示。設計為多層時，各層分別單獨在兩個端部短接，層與層之間添加絕緣，互不影響。進行有限元計算，計算結果見表5。

圖6 公共籠條層數不同時的BDFM有限元模型Fig.6 BDFM finite element modules under short-circuit cage conductor layers

表5 公共籠條層數對耦合能力的影響（比值）Tab.5 Effect of short-circuit cage conductor layer numbers on coupling capability

表5顯示了8極功率繞組和4極控制繞組單邊激勵時，有用諧波占基波的比值。可以看出，增加公共籠條的層數，將削弱公共籠條感應電流的“趨膚效應”的影響，增強轉子的極數轉換器作用，進而增強了BDFM復合轉子的耦合能力。

5 樣機加工與實驗驗證

研制 120kW 隔磁磁障和短路籠條復合轉子BDFM樣機，制造了復合轉子和磁障式磁阻轉子兩個不同類型的轉子和一個公共定子，電機如圖7a所示。圖7b為復合轉子BDFM的三維結構圖。

對所研制的樣機進行了初步實驗，在給定頻率發生突變時，復合轉子BDFM的轉速迅速地跟隨變化，具有較強的抗失步能力和動態調整能力。

圖7 無刷雙饋電機樣機Fig.7 Brushless doubly fed machine

為了通過實驗對復合轉子和磁障式磁阻轉子的耦合能力強弱進行分析和比較，使BDFM作電動機運行，在不同轉速下，分別對兩種轉子BDFM輸出功率進行測量和分析，進而比較兩種轉子的耦合能力。

磁障式轉子BDFM的功率繞組接690V、50Hz正弦交流電，控制繞組短路，電機異步起動。起動完成后，將控制繞組切換至直流電勵磁，電機嵌入同步運行狀態，此時電機轉速為500r/min。逐步增大負載，記錄電機運行所能帶最大負載情況下的輸出功率；將控制繞組切換至交流電（恒壓頻比），其相序與功率繞組相反，電機進入亞同步運行狀態，測量轉速分別為400r/min和200r/min時電機所能帶最大負載情況下的輸出功率；控制繞組與功率繞組電流同相序時，即超同步運行狀態下，測量轉速分別為700r/min和1 000r/min時電機所能帶最大負載的輸出功率。將公共籠條插入磁障式磁阻轉子，兩端短接，形成復合轉子，采用相同的實驗方法，對復合轉子BDFM進行實驗。兩種轉子的實驗結果如所示，可以看出，無論是同步速運行狀態（500r/min），亞同步運行狀態（轉速小于500r/min），還是超同步運行狀態（轉速大于500r/min），復合轉子 BDFM輸出功率比磁障式磁阻轉子BDFM高出17%左右，從而證明了復合轉子具有高耦合能力和高輸出轉矩的優良性能。

圖8 輸出功率與轉速關系Fig.8 The relationship between output power and speed

6 結論

（1）提出了一種新型隔磁磁阻和短路籠條復合轉子結構，該種轉子結構簡單、制造方便，并且具有優良的磁場耦合能力。

（2）為了獲得耦合能力最佳的轉子結構，轉子極弧系數的取值范圍為0.7～0.73；導磁層數增多，轉子耦合能力增強，達到4～5層時轉子耦合能力增強速度變緩；導磁層和非導磁層寬度比取 2:1時轉子獲得最優的耦合能力；短路籠條組數增加，轉子耦合能力在一定程度上得到增強，但兼顧制造成本，往往選擇僅加入公共籠條；公共籠條層數越多，“集膚效應”影響越小，轉子耦合能力越強。

（3）研制一臺120kW復合轉子無刷雙饋電機，樣機試驗驗證了該種新型轉子具有優良的耦合能力。

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