磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)

張 岳 王鳳翔 邢軍強(qiáng) Milutin Jovanovic David Atkinson

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 沈陽 110870 2.諾桑比亞大學(xué)計算、工程與信息科學(xué)學(xué)院 紐卡斯?fàn)?NE1 8ST 3.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)電氣、電子與計算機(jī)工程學(xué)院 紐卡斯?fàn)?NE1 7RU)

1 引言

無刷雙饋電機(jī)的定子鐵心上嵌有兩套不同極數(shù)的繞組，分別用作功率繞組和控制繞組，轉(zhuǎn)子為無刷結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)子對定子兩套繞組電流產(chǎn)生磁場進(jìn)行調(diào)制，實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。在電動運行方式下，可異步運行和同步運行，并可通過改變控制繞組電流的頻率、幅值和相位，實現(xiàn)低于和高于同步速的雙饋調(diào)速運行。在發(fā)電運行方式下，則可通過控制繞組的交流勵磁實現(xiàn)變速恒頻運行[1,2]。由于控制繞組所需要的變流器功率較小和控制系統(tǒng)成本較低，無刷雙饋電機(jī)在大中型交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景[3-5]。特別是近年來，隨著兆瓦級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中有刷結(jié)構(gòu)雙饋電機(jī)故障率的增多，人們對雙饋電機(jī)的無刷化充滿期待，從而推動了無刷雙饋電機(jī)在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

由于無刷雙饋電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換是基于轉(zhuǎn)子對定子上不同極數(shù)的功率繞組和控制繞組電流磁場的調(diào)制作用來實現(xiàn)的，因此，如何優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計提高其磁場調(diào)制能力成為無刷雙饋電機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子對于定子繞組電流產(chǎn)生磁場的調(diào)制作用主要有兩種方式：一種是通過轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場對定子繞組電流磁場的反作用；另一種是通過轉(zhuǎn)子鐵心的磁路結(jié)構(gòu)限定定子繞組電流磁場在轉(zhuǎn)子鐵心中的路徑。由此產(chǎn)生了兩類不同的無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：一是基于轉(zhuǎn)子電路設(shè)計的具有短路繞組的轉(zhuǎn)子；二是基于轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計的磁阻轉(zhuǎn)子[6,7]。

無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有多種形式，可以采用單層同心式籠型短路繞組[8,9]，也可采用特殊設(shè)計的雙層繞組[10]。英國劍橋大學(xué)的Roberts等人對四種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子繞組（特殊設(shè)計的單層和雙層短路繞組）的無刷雙饋電機(jī)進(jìn)行了對比分析和實驗研究[11]。具有短路繞組的無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是可采用與傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)相類似的制造工藝，缺點是轉(zhuǎn)子繞組電流會產(chǎn)生損耗。

無刷雙饋電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)子一般有三種結(jié)構(gòu)：在疊片轉(zhuǎn)子鐵心上開槽的凸極磁阻轉(zhuǎn)子[12,13]；采用軸向疊片各向異性的ALA（axially laminated anisotropic）隱極磁阻轉(zhuǎn)子[14,15]；徑向疊片隱極磁阻轉(zhuǎn)子[16,17]。磁阻轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子沒有繞組電流損耗，缺點是軸向和徑向疊片的隱極轉(zhuǎn)子制造工藝復(fù)雜。普通開槽的凸極磁阻轉(zhuǎn)子雖然結(jié)構(gòu)簡單易于制造，然而其對于定子繞組電流磁場的調(diào)制能力較差。

本文旨在尋求一種便于加工制造而又性能良好的無刷雙饋電機(jī)的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過在凸極磁阻轉(zhuǎn)子鐵心中適當(dāng)?shù)丶尤氪耪?，增加磁阻轉(zhuǎn)子對定子繞組電流磁場的調(diào)制能力，同時又可保持其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的優(yōu)點。

2 不同磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對于電磁轉(zhuǎn)矩的影響

無刷雙饋磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子有多種結(jié)構(gòu)型式，而具有代表性的是如圖1 所示開槽的凸極磁阻轉(zhuǎn)子和軸向疊片各向異性的隱極磁阻轉(zhuǎn)子（ALA 轉(zhuǎn)子）。徑向疊片隱極磁阻轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)上與 ALA轉(zhuǎn)子相似。

由圖1 所示可以看出，凸極磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單便于制造，而ALA 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜難以加工，那么這兩種磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的性能相差有多少呢？表1 為采用場路耦合有限元法計算的同一定子（6 極功率繞組和2 級控制繞組）、相同氣隙和轉(zhuǎn)子外徑的兩種磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)在500r/min 運行時的電磁轉(zhuǎn)矩對比，可以看出ALA 轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩是凸極轉(zhuǎn)子的4 倍。ALA 轉(zhuǎn)子之所以能比普通凸極磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩提高如此之多，可以從圖2 所示兩種轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁場對比來說明。

圖1 兩種典型磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.1 Two typical reluctance rotors

表1 兩種磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的對比Tab.1 Comparison of electromagnetic torque for BDFM with two different reluctance rotors

圖2 兩種磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的磁力線分布對比Fig.2 Comparison of flux line distribution for BDFM with two different reluctance rotors

根據(jù)磁場調(diào)制無刷雙饋電機(jī)的工作原理，6 極功率繞組和2 極控制繞組的無刷雙饋電機(jī)的等效磁場極數(shù)應(yīng)為8 極，如圖2b 所示ALA 轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁力線分布。而圖2a 所示凸極磁阻轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁力線分布不像8 極磁場而更像4 極磁場，這是由于凸極磁阻轉(zhuǎn)子對定子上的6 極功率繞組和2 極控制繞組電流磁場的調(diào)制力度不夠所導(dǎo)致的。要想使轉(zhuǎn)子中的磁場呈現(xiàn)8 極，可以采用類似于ALA 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，使凸極轉(zhuǎn)子鐵心中的磁力線從凸極的中間分開，強(qiáng)迫它們分別從每個凸極的兩側(cè)進(jìn)入相鄰?fù)箻O。由此產(chǎn)生一種在凸極中間加入磁障限定轉(zhuǎn)子磁通路徑的磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使其增強(qiáng)對于定子繞組磁場的調(diào)制作用，而又不失凸極磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單便于制造的優(yōu)點。

3 磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的設(shè)計

3.1 磁障數(shù)量與結(jié)構(gòu)對電磁轉(zhuǎn)矩的影響

為了研究在凸極上加入磁障的數(shù)量和形狀對電磁轉(zhuǎn)矩的影響，在相同電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和運行條件下，利用場路耦合瞬態(tài)時步有限元法，對比分析了圖3所示四種不同磁障結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機(jī)的性能。

圖3 不同磁障轉(zhuǎn)子的無刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structures of BDFM with different magnetic barrier rotors

不同磁障數(shù)量與結(jié)構(gòu)對電磁轉(zhuǎn)矩的影響如圖4所示，圖中還給出了在相同結(jié)構(gòu)尺寸和運行條件下，磁障轉(zhuǎn)子與圖1 所示不加磁障的普通凸極磁阻轉(zhuǎn)子和ALA 轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的對比。圖3a所示每極插入一條磁障的轉(zhuǎn)子，在相同運行條件下，其電磁轉(zhuǎn)矩為圖1a 凸極轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩的1.85 倍；圖3b 所示每極插入三條磁障轉(zhuǎn)子為凸極轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩的2.12 倍；圖3c 所示磁障轉(zhuǎn)子為凸極轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩的2.55 倍；而圖3d 所示磁障轉(zhuǎn)子為凸極轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩的3.02 倍，已達(dá)到ALA 轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩的75%以上。

圖4 磁障數(shù)量與結(jié)構(gòu)對于電磁轉(zhuǎn)矩的影響Fig.4 Influence of flux barrier’s number and structure on electromagnetic torque

圖3b、3c 和3d 雖然每極都是三條磁障，但磁障的形狀有所不同。圖3b 和3c 中轉(zhuǎn)子大槽底部的兩條磁障沒有連在一起，兩者之間的距離圖3b 大于圖3c。圖3d 中不僅轉(zhuǎn)子大槽底部的兩條磁障連在一起，而且極中間的磁障直通轉(zhuǎn)軸，其磁障結(jié)構(gòu)更加接近于圖1b 所示的ALA 轉(zhuǎn)子。顯然，磁障數(shù)越多和磁障形狀越復(fù)雜，轉(zhuǎn)子對定子繞組電流磁場的調(diào)制作用越好。圖1b 所示的ALA 轉(zhuǎn)子，相當(dāng)于每極有9 條磁障，故其性能較好。然而，隨著磁障數(shù)量與形狀復(fù)雜程度的增加，轉(zhuǎn)子的制造工藝復(fù)雜性和成本亦隨之增加。

3.2 磁障寬度和深度對電磁轉(zhuǎn)矩的影響

除了轉(zhuǎn)子磁障的數(shù)量和結(jié)構(gòu)形狀外，磁障的寬度和深度對無刷雙饋電機(jī)的性能也有較大的影響。以圖5 所示在每個凸極中間僅加入一條磁障的轉(zhuǎn)子為例，對比分析磁障寬度和深度對電磁轉(zhuǎn)矩的影響。磁障寬度用圖5 中的b表示。磁障深度不用磁障的長度而用磁障底部與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面之間的距離d來表示，因為它更能反映磁障深度對轉(zhuǎn)子磁通路徑的影響。

圖5 單條磁障的寬度和深度Fig.5 Width and depth of the magnetic barrier

磁障寬度對電磁轉(zhuǎn)矩的影響如圖6 所示。可以 看出，隨著磁障寬度的增加，磁障對轉(zhuǎn)子磁通路徑的導(dǎo)向作用增加，因而電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩也隨之增加。然而磁障寬度的增加，使轉(zhuǎn)子齒的截面積減小導(dǎo)致齒部磁通密度的增加，因而磁障寬度不可過大，否則會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子齒部磁通密度過大而使磁路過度飽和，因此只能在轉(zhuǎn)子磁路飽和程度允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子磁障的寬度。

圖6 磁障寬度對于電磁轉(zhuǎn)矩的影響Fig.6 Influence of magnetic barrier’s width on electromagnetic torque

轉(zhuǎn)子磁障深度對電磁轉(zhuǎn)矩的影響如圖7 所示?？梢钥闯?，隨著圖5 所示轉(zhuǎn)子磁障d值的增加，電磁轉(zhuǎn)矩顯著減小，說明磁障底部與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面之間的距離越小越好，最好是極中間的磁障直通轉(zhuǎn)軸。

圖7 磁障深度對于電磁轉(zhuǎn)矩的影響Fig.7 Influence of magnetic barrier’s depth on electromagnetic torque

3.3 轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)對電磁轉(zhuǎn)矩的影響

如何選取磁阻轉(zhuǎn)子凸極齒部寬度和槽部寬度的比例，使齒部磁路不過度飽和而又可產(chǎn)生較大的凸極磁阻轉(zhuǎn)矩，是磁阻轉(zhuǎn)子電機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。凸極寬度與槽部寬度的比例關(guān)系，通常采用極弧系數(shù)（凸極頂部所占轉(zhuǎn)子外圓極弧寬度與兩個凸極之間的極弧寬度之比）來表示。

在轉(zhuǎn)子每極單磁障尺寸不變和運行條件相同情況下，通過場路耦合有限元計算的極弧系數(shù)對電磁轉(zhuǎn)矩的影響如圖8 所示?？梢钥闯?，隨著極弧系數(shù)的增加，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩隨之減少。然而，極弧系數(shù)也不可過小，否則會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子齒部磁通密度過大而使磁路過度飽和。

圖8 極弧系數(shù)對于電磁轉(zhuǎn)矩的影響Fig.8 Influence of pole-arc coefficient on electromagnetic torque

4 磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)樣機(jī)的實驗研究

為了驗證本文所述磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的可行性和設(shè)計方法的有效性，設(shè)計并研制了一臺磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋試驗樣機(jī)。樣機(jī)定子具有兩套獨立繞組，功率繞組為6 極，控制繞組2 為極。轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)為0.4，每極僅有一條如圖5 所示的磁障，磁障寬2.5mm，磁障底部與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面之間的距離為 4.5mm，定子鐵心內(nèi)、外徑分別為 170mm 和290mm，氣隙為0.4mm。

磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)樣機(jī)試驗研究采用發(fā)電機(jī)運行方式，試驗系統(tǒng)原理框圖如圖 9 所示。由PWM 變流器Ⅰ供電的感應(yīng)電動機(jī)作為原動機(jī)，驅(qū)動磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行，其控制繞組由PWM 變流器Ⅱ供電，功率繞組輸出接可調(diào)負(fù)載電阻。

圖9 無刷雙饋電機(jī)試驗系統(tǒng)原理框圖Fig.9 Schematic diagram of experimental system for BDFG

磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)試驗樣機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為750r/min。樣機(jī)在低于和高于同步速且不同轉(zhuǎn)速（500r/min、600r/min、900r/min 和1 000r/min）下作變速恒頻發(fā)電機(jī)運行時，功率繞組輸出功率與控制繞組電流的關(guān)系曲線如圖10 所示?？梢钥闯觯?dāng)轉(zhuǎn)速不變時，功率繞組輸出功率隨著控制繞組電流的增加而增加；在控制繞組電流不變時，不同轉(zhuǎn)速下功率繞組的輸出功率相差不大。

圖10 不同轉(zhuǎn)速和控制繞組電流下功率繞組的輸出功率試驗曲線Fig.10 Tested output powers of power winding for different speeds and control winding currents

磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機(jī)在低于同步速 500 r/min 運行時負(fù)載特性試驗值與設(shè)計仿真值的對比如圖11 所示。樣機(jī)在高于同步速1 000r/min 作變速恒頻發(fā)電機(jī)運行時功率繞組線電壓和控制繞組線電流測試波形與仿真結(jié)果的對比如圖12 所示。通過圖11 和圖12 可以看出，不同轉(zhuǎn)速下的功率特性和電壓與電流波形的測試結(jié)果，與基于場路耦合的仿真結(jié)果吻合較好。

圖11 500r/min 發(fā)電機(jī)運行不同控制繞組電流下功率 繞組輸出功率試驗與仿真值對比Fig.11 Comparison of tested with simulated output powers of power winding for different control winding currents at 500r/min

圖12 功率繞組線電壓和控制繞組電流試驗與仿真波形對比（1 000r/min，控制繞組電流23.6A）Fig.12 Comparison of tested with simulated voltage of power winding and current of control winding at 1 000r/min and control winding current of 23.6A

5 結(jié)論

基于以上對磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的理論分析和實驗研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）在電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸相同情況下，通過在凸極磁阻轉(zhuǎn)子鐵心中適當(dāng)加入磁障，可以有效地改善磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的性能，并保持其磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉的優(yōu)點。

（2）極弧系數(shù)、磁障數(shù)量和結(jié)構(gòu)尺寸對于電機(jī)的性能有重要的影響，在轉(zhuǎn)子磁路不飽和的情況下，適當(dāng)減小極弧系數(shù)和增加磁障數(shù)量及寬度，有利于提高電機(jī)的出力。

（3）樣機(jī)試驗不僅驗證了磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)設(shè)計方法的有效性，而且能夠在高于和低于同步速下實現(xiàn)變速恒頻運行，可用于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

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