磁阻轉子定子電勵磁無刷同步電機電磁特性分析

蔣曉東，石征錦

(沈陽理工大學 自動化與電氣工程學院，沈陽 110159)

0 引 言

永磁電機具有功率密度高、可靠性高等優點，在工業生產領域得到了廣泛應用，但其勵磁不可調，且在極端惡劣環境(如高溫、高濕度等)下永磁體容易失磁，在某些特殊領域不適合采用永磁電機[1-2]。

電勵磁無刷同步電機是一種將常規電勵磁同步電機與磁場調制機理相結合而設計的新型電機，其優勢是取消了傳統電勵磁同步電機的電刷和滑環，使其在運行過程中不易產生火花，避免了爆炸事故的發生。相比于永磁電機，它更具有勵磁調節方便、功率因數可調等優點，有著較好的應用前景，適合在一些特殊環境中使用[3]。

文獻[4]提出了一種新型無刷電勵磁同步電機，該電機由繞線式異步電機改造而成，仿真得到了該電機的磁力線、磁密分布和損耗，通過實驗驗證了該電機理論分析的合理性。文獻[5]針對混合轉子無刷電勵磁電機的電感參數提出了一種解析計算方法，研究了電感參數隨轉子位置的變化規律，通過實驗驗證了電感參數解析計算模型的正確性。文獻[6]提出了一種新型轉子結構定子電勵磁無刷同步電機，仿真研究得到了其勵磁繞組極數對磁場耦合能力的影響規律以及運行特性，通過實驗驗證了該新型電機具有較好的動靜態性能。文獻[7]對比分析了磁障轉子和混合轉子兩種轉子結構的無刷電勵磁電機的電磁性能，通過實驗得出混合轉子的性能優于磁障轉子的性能。

文獻[8]針對一類新型定子電勵磁同步電機的新進展進行了綜述分析，系統描述了定子電勵磁同步電機的運行原理和各種新穎結構，比較了其轉矩密度和其他電磁性能。文獻[9]針對無刷電勵磁同步電機的損耗和溫度場進行了有限元分析，通過實驗驗證了仿真結果的正確性。

本文針對定子電勵磁無刷同步電機(以下簡稱SEEBSM)提出了一種磁阻轉子結構，分別闡述了繞組轉子結構特點、運行系統以及磁場調制機理，對該電機在空載和負載兩種情況下的電磁特性進行了仿真分析，研究結果為后續樣機的研制和實驗提供了參考依據。

1 結構和運行原理

SEEBSM采用傳統感應電機的定子結構，區別在于其定子槽內嵌有不同極數的兩套繞組，分別為三相電樞繞組和單相勵磁繞組，如圖1所示。其中，電樞繞組采用雙層短距繞組，位于定子槽口；勵磁繞組采用等跨距的單層繞組，位于定子槽底。兩套繞組之間不存在直接的電磁耦合關系，而是通過特殊的轉子結構進行間接耦合，SEEBSM新型磁阻轉子結構如圖2所示。定子槽內勵磁繞組分布如圖3所示，采用同心式繞組連接方式，支路數為1。

圖1 定子繞組分布圖2 轉子結構

圖3 勵磁繞組分布圖

磁阻轉子等效極對數與定子勵磁繞組極對數和電樞繞組極對數的關系如下：

pr=pp+pL

(1)

式中：pr為轉子等效極對數；pp為電樞繞組極對數；pL為勵磁繞組極對數。

在勵磁繞組中串入電阻，電樞繞組直接與工頻電網相連，該電機可直接起動，轉速穩定后進入異步運行階段。當轉速接近同步轉速時，將勵磁繞組串接的電阻切換掉，同時由直流電源給勵磁繞組供電，當轉速再次穩定時，電機進入到同步運行階段，運行系統示意圖如圖4所示。若電網頻率為f1，則SEEBSM的自然同步轉速：

圖4 SEEBSM運行系統示意圖

(2)

2 磁場調制機理

圖2為SEEBSM的磁阻轉子結構。忽略齒槽開口以及鐵心中磁壓降的影響，僅考慮對結果影響最大的基波磁導。忽略高次諧波磁導后的氣隙比磁導可以近似表述：

λg(φ,t)=λ0+λ1cos[pr(φ-ωrt-θ0)]

(3)

(4)

(5)

式中：λ0為氣隙磁導平均分量；λ1為基波磁導幅值；θ0為電樞繞組合成磁動勢軸線與轉子參考軸的夾角；pr為轉子等效極對數；g為氣隙長度；αp為極弧系數；ωr為轉子旋轉機械角速度。氣隙磁通密度可表示：

B(φ,t)=[fp(φ,t)+fL(φ)]λg(φ,t)

(6)

式中：fp(φ,t)和fL(φ,t)分別為電樞繞組和勵磁繞組磁動勢。將式(6)展開得到：

B(φ,t)=Bp1(+)+Bp1(-)+BL1(+)+

BL1(-)+Bp0+BL0

(7)

其中，

(8)

式中：δ為勵磁繞組和電樞繞組合成磁動勢軸線夾角；ωp為電樞繞組角頻率。

由式(8)可知，經過磁場調制后氣隙中存在6種不同極數和轉速的磁場，根據電機學理論，其中Bp0、BL1(-)和BL1(+)分別在勵磁繞組和電樞繞組中產生的電動勢頻率與電流頻率相同，從而輸出穩定的電磁轉矩。

3 SEEBSM數學模型

假設SEEBSM繞組中電壓和電流的正方向如圖5所示。

圖5 繞組電壓電流正方向

根據基爾霍夫定律，其電壓方程式如下：

(9)

式中：U為電樞繞組相電壓矩陣；i為繞組相電流矩陣；R為相電阻矩陣；L為繞組電感矩陣。

U=[UAUBUCUL]T

(10)

i=[iAiBiCiL]T

(11)

R=diag[RARBRCRL]

(12)

(13)

式(10)～式(13)中，下角標“L”表示勵磁繞組。另外，無論是在異步還是同步運行條件下，該電機的運動方程均為：

(14)

式中：T1為負載轉矩；Tem為電磁轉矩；ωr為機械角速度；J為轉動慣量。

4 電磁特性仿真

電機的電磁特性仿真是研究和設計新型電機的一種有效途徑和方法，尤其是對于原理上與常規電機有很大不同的新型電機，仿真研究就顯得尤為重要。

4.1 空載特性

針對本文的磁阻轉子結構，設計了一臺額定功率為11 kW、轉速為500 r/min的定子電勵磁無刷同步電機，主要設計參數如表1所示。采用有限元法對其空載運行時的電磁特性進行了仿真。當勵磁繞組串接不同阻值的電阻時，轉速隨時間變化曲線如圖6所示。

表1 SEEBSM主要參數

圖6 勵磁繞組串接不同電阻時轉速隨時間變化曲線

從圖6可以看出，當勵磁繞組串接電阻的阻值為5 Ω時，起動2.8 s后，轉速基本穩定在250 r/min；當串接電阻的阻值為分別為15 Ω和20 Ω時，起動4 s后，轉速基本穩定在484 r/min，接近同步轉速。說明要想使該磁阻轉子SEEBSM在空載時能夠順利起動，進入到異步運行階段，勵磁繞組所串接電阻的阻值不能過小。

當電機穩定運行于異步階段時，將勵磁繞組串接的電阻切除，同時由直流電源給勵磁繞組供電，轉速隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7 不同運行狀態下轉速隨時間變化曲線

圖7中，曲線1表示處于異步運行狀態下，轉速隨時間的變化情況；曲線2表示起動3 s后將勵磁繞組串接電阻切除，由直流電源直接給勵磁繞組供電時轉速的變化情況。由曲線1可知，起動4 s后轉速穩定在500 r/min，進入同步運行階段?？蛰d運行于同步轉速時，SEEBSM磁場密度和磁力線分布分別如圖8和圖9所示。

圖8 空載運行時磁場密度分布

圖9 空載磁力線分布

由圖8和圖9可知，最大磁密位置出現在轉子導磁層之間的連接筋上，最大磁密約為1.8 T。同步運行時轉矩隨時間變化曲線如圖10所示。

圖10 空載運行時轉矩隨時間變化曲線

4.2 負載特性

當電機空載穩定運行于同步轉速時，突加30 N·m的負載，其轉速、轉矩隨時間的變化曲線以及電樞繞組和勵磁繞組的感應電動勢分別如圖11～圖14所示。

圖11 突加30 N·m負載時轉速隨時間變化曲線

圖12 負載運行時轉矩隨時間變化曲線

圖13 電樞繞組反電動勢曲線

圖14 勵磁繞組反電動勢曲線

由圖11可知，勵磁繞組串入電阻后，在0～4 s之間電機直接起動，在4 s時將電阻切換掉，由直流電源給勵磁繞組供電，經0.3 s轉速逐漸提高到同步轉速，進入同步運行階段；在6 s時加入30 N·m負載，同時增大勵磁電流，轉速出現波動，0.6 s后逐漸穩定于同步轉速。由圖12可知，在6 s時突加負載，轉矩突然增大，經過2 s后逐漸趨于平穩。

觀察圖13可知，電樞繞組相反電動勢的波形為正弦，有效值為218.3 V。由圖14可知，在0～4 s之間，隨轉速不斷上升，勵磁繞組反電動勢幅值逐漸降低。4 s后由于轉速逐漸趨于同步轉速，反電動勢逐漸趨于零；6 s時突加負載，導致其反電動勢有一定波動，并隨轉速逐漸穩定而趨于零。負載穩定運行時SEEBSM的磁密分布如圖15所示。

圖15 負載運行時磁場密度分布

由圖15可知，電機最大磁密為1.92 T，同樣位于轉子導磁層之間的連接筋處。對比圖8可知，負載時鐵心中主磁路的磁密與空載時相比有所提高，說明鐵心材料得到充分利用，電磁設計合理。

當負載增大到50 N·m，保持勵磁不變，轉速隨時間變化如圖16所示。

圖16 突加50 N·m負載轉速隨時間變化曲線

由圖16可知，在6 s時突加50 N·m負載，轉速急劇下降，說明能夠帶動30 N·m負載的勵磁不足以帶起更大的負載。在保證其他條件不變的情況下，增大勵磁電流，轉速變化如圖17所示。

圖17 增大勵磁電流后轉速隨時間的變化曲線

由圖17可知，增大勵磁電流后，轉速在6 s時開始波動，逐漸穩定在同步轉速，說明調整勵磁繞組中勵磁電流的大小可以改善電機的帶載能力。

5 結 語

本文提出了一種帶磁阻轉子結構的SEEBSM，闡述了其繞組轉子、運行系統以及磁場調制機理，對其在空載和負載運行下電磁特性進行了仿真研究。結果可知，當空載起動時，調節勵磁繞組串接電阻的阻值可以有效改善電機的起動性能；穩定運行后磁密最大處均位于磁阻轉子導磁層之間連接筋處；突加負載轉速逐漸平穩后，勵磁繞組中的感應電動勢逐漸趨于零，電樞繞組中感應電動勢正弦度較好；調節勵磁電流大小可以提高該電機的帶載能力。本文的研究豐富了適用于定子電勵磁無刷同步電機的轉子拓撲結構，并為后續樣機的研制提供了有利的數據支撐。