一種徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子雙饋無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)與性能分析

劉慧娟 Longya Xu

（1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044 2.The Ohio State University Columbus 43202）

1 引言

雙饋無刷電機(jī)（Doubly Excited Brushless Machine,DEBM）經(jīng)歷了級(jí)聯(lián)感應(yīng)電機(jī)（cascaded induction machine）[1]、 自級(jí)聯(lián)式感應(yīng)電機(jī)(self-cascaded induction machine)[1,2]和現(xiàn)代雙饋無刷電機(jī)的發(fā)展歷程。級(jí)聯(lián)感應(yīng)電機(jī)是將兩臺(tái)不同極數(shù)的繞線式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械上同軸而轉(zhuǎn)子繞組電氣串級(jí)連接，取消了轉(zhuǎn)子上的電刷和集電環(huán)，實(shí)際是兩臺(tái)電機(jī)，它可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。將級(jí)聯(lián)感應(yīng)電機(jī)的兩套定子繞組放置于同一個(gè)定子鐵心中，并對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，與定子一起放置于同一機(jī)座內(nèi)，使原來的兩臺(tái)電機(jī)變?yōu)橥粰C(jī)座內(nèi)的一臺(tái)電機(jī)，就形成了自級(jí)聯(lián)式感應(yīng)電機(jī)，在此階段，人們?nèi)匀粚⑵湔J(rèn)為是在同一機(jī)座內(nèi)的兩臺(tái)電機(jī)，因此對(duì)它的研究存在許多的局限。值得一提的是，Broadway對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了巢式回路籠型轉(zhuǎn)子和凸極磁阻轉(zhuǎn)子兩種類型[3]，并推導(dǎo)了電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程和等效電路，而且將其研究的電機(jī)命名為“Brushless Stator-Controlled Synchronous-Induction Machines”[4]。從20世紀(jì)80年代起，人們開始制造Broadway提出的DEBM原型電機(jī)[5]，但缺乏對(duì)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的力能指標(biāo)以及能耗效率的研究。20世紀(jì)90年代，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，DEBM也進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期，人們分別從路和場的角度研究不同轉(zhuǎn)子類型DEBM的基本工作原理、運(yùn)行特性、可能的控制方法和電機(jī)的工業(yè)應(yīng)用等[6-19]，并發(fā)表了不少的研究論文。發(fā)現(xiàn)DEBM兩套定子繞組具有與傳統(tǒng)繞線式感應(yīng)電機(jī)相似的自感特性、互感特性和繞組端部特性，其兩套定子繞組分別相當(dāng)于繞線式感應(yīng)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，電機(jī)可實(shí)現(xiàn)雙饋無刷運(yùn)行模式。在此期間，有各種不同轉(zhuǎn)子類型的原型電機(jī)制成，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不十分理想，主要原因是電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的效率較低。

當(dāng)前，隨著自然資源的短缺和能源危機(jī)的出現(xiàn)，人們更加關(guān)注有潛力應(yīng)用于變速驅(qū)動(dòng)和變速恒頻發(fā)電領(lǐng)域的DEBM。但要將DEBM從學(xué)術(shù)研究進(jìn)入真正的工程應(yīng)用，在電機(jī)設(shè)計(jì)與控制等方面還存在許多挑戰(zhàn)，特別是與現(xiàn)在流行的有刷雙饋感應(yīng)電機(jī)相比，還必須圓滿地解決以下幾個(gè)問題：①如何進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)才能使DEBM實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩和最大功率密度；②適合DEBM系統(tǒng)的控制方法是什么；③如何提高DEBM的運(yùn)行效率；④DEBM在設(shè)計(jì)與控制方面的局限有哪些。

本文從如何提高DEBM運(yùn)行效率的分析入手，設(shè)計(jì)并試制了一臺(tái)150kW/900r/min的徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子雙饋無刷原型電機(jī)。首先分析了DEBM的工作原理，然后從如何提高DEBM運(yùn)行效率和運(yùn)行性能入手，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選取及制造進(jìn)行詳細(xì)說明，并利用Ansoft軟件對(duì)原型電機(jī)的空載和負(fù)載運(yùn)行性能進(jìn)行分析計(jì)算，包括電機(jī)空載和負(fù)載時(shí)的磁場分布、定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢波形、電磁轉(zhuǎn)矩特性等，最后在實(shí)驗(yàn)室對(duì)原型電機(jī)進(jìn)行了發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的空載、雙饋運(yùn)行模式的實(shí)驗(yàn)測試，并將有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 DEBM 原型電機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 DEBM的工作原理

圖1為DEBM變速驅(qū)動(dòng)（或發(fā)電）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括DEBM、雙向整流逆變器和相關(guān)的控制器。DEBM定子上有兩套獨(dú)立的、極數(shù)不同的正弦分布繞組，與電網(wǎng)直接連接的定子繞組稱為功率繞組，設(shè)其極數(shù)為2p，通過雙向整流逆變器與電網(wǎng)間接連接的定子繞組稱為控制繞組，設(shè)其極數(shù)為2q，轉(zhuǎn)子極數(shù)為2pr，其結(jié)構(gòu)通常有巢式回路籠型轉(zhuǎn)子和磁阻式轉(zhuǎn)子兩大類，且

圖1 DEBM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of the DEBM system

當(dāng)在功率繞組（2p極）和控制繞組（2q極）中分別通入頻率為f1和f2的三相對(duì)稱正弦交流電流時(shí)，在氣隙中將產(chǎn)生兩個(gè)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為n1m=60f1/p和n2m=60f2/q的磁動(dòng)勢波，當(dāng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)滿足式（1）的約束，且電機(jī)轉(zhuǎn)速nr與兩套定子繞組的電流頻率f1、f2滿足式（2）的約束條件時(shí)，電機(jī)內(nèi)部可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換[6-7]。

式中，當(dāng)兩套定子繞組的電流同相序時(shí)取“+”，反相序時(shí)取“-”。

從式（2）可知，當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，可通過調(diào)節(jié)控制繞組的電流頻率f2，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速驅(qū)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)控制繞組的電流頻率f2，使功率繞組的頻率f1保持不變，即不隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電運(yùn)行。

DEBM具有多種運(yùn)行模式，當(dāng)控制繞組接電阻或直接短路、功率繞組接交流電源時(shí)，電機(jī)為異步運(yùn)行模式；當(dāng)控制繞組接直流電源（f2=0）、功率繞組接交流電源時(shí)，電機(jī)為同步運(yùn)行模式，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速nr0=60f1/pr為自然同步轉(zhuǎn)速；當(dāng)功率繞組接交流電源、控制繞組接頻率可調(diào)的交流電源（f2≠0）時(shí)，電機(jī)為雙饋運(yùn)行模式，此時(shí)，當(dāng)f2＞0（即兩定子繞組電流同相序）時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速nr=60(1+f2)pr大于自然同步轉(zhuǎn)速nr0，為超同步運(yùn)行方式；當(dāng)f2＜0（即兩定子繞組電流反相序）時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速nr=60(1-f2)pr小于自然同步轉(zhuǎn)速nr0，為亞同步運(yùn)行方式。

2.2 DEBM 原型電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

根據(jù)DEBM的基本工作原理可知，兩套定子繞組之間的互感與繞組的匝數(shù)及磁路的磁導(dǎo)成正比，當(dāng)將DEBM的定子繞組和定子鐵心結(jié)構(gòu)選擇與傳統(tǒng)交流電機(jī)的一樣時(shí)，就只需要對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)了，因此，所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)越好，其磁耦合能力越強(qiáng)時(shí)，兩套定子繞組的互感就會(huì)越大，電機(jī)就能獲得更大的電磁轉(zhuǎn)矩。

對(duì)DEBM的研究已經(jīng)表明，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式直接影響其磁耦合能力的強(qiáng)弱，也直接影響兩套定子繞組之間的互感值。對(duì)于巢式回路籠型轉(zhuǎn)子[7,8]，其磁耦合能力較好，但在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中有電流流過，存在轉(zhuǎn)子銅耗，降低了電機(jī)的效率。圖2為三種巢式回路籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)展開圖(其中轉(zhuǎn)子巢數(shù)為4，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)為20)。

圖2 巢式回路籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Three types of nested-loop cage rotor

對(duì)于轉(zhuǎn)子上沒有繞組的磁阻轉(zhuǎn)子，其磁耦合能力隨結(jié)構(gòu)的不同而不同，文獻(xiàn)[6-9]的研究表明，常規(guī)凸極磁阻轉(zhuǎn)子的磁耦合能力較帶磁障的磁阻轉(zhuǎn)子的磁耦合能力弱，而在磁障式磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，磁耦合能力較強(qiáng)的是各向異性軸向疊片(Axially Laminated Anisotropic，ALA)磁阻轉(zhuǎn)子[7,8]，但ALA磁阻轉(zhuǎn)子存在以下兩個(gè)缺陷：①由于ALA磁阻轉(zhuǎn)子為軸向整體瓦片式結(jié)構(gòu)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子中會(huì)感應(yīng)出渦流電流，因而有渦流損耗產(chǎn)生，對(duì)電機(jī)的效率有一定的影響；②轉(zhuǎn)子中渦流的出現(xiàn)和流動(dòng)，將影響轉(zhuǎn)子的磁通路徑，使轉(zhuǎn)子中的磁力線路徑發(fā)生畸變，從而進(jìn)一步影響電機(jī)的運(yùn)行性能。因此本文設(shè)計(jì)的DEBM的轉(zhuǎn)子，采用磁耦合能力較強(qiáng)、且沒有導(dǎo)條的轉(zhuǎn)子，能最大程度消除轉(zhuǎn)子渦流與渦流損耗，有效提高電機(jī)運(yùn)行效率的徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

原型電機(jī)制造時(shí)采用厚0.35mm的硅鋼片沖制成如圖3所示的沖片，然后以平行于電機(jī)直徑方向（即電機(jī)軸向）逐片疊壓形成轉(zhuǎn)子鐵心。圖3中深色條狀為導(dǎo)磁層，相鄰導(dǎo)磁層之間的磁障層可以是空氣，也可以由其他非導(dǎo)磁材料填充，以加強(qiáng)轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度。根據(jù)1.5kW原型電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇磁導(dǎo)層與磁障層的寬度比約為3:2。

圖3 RLMB 轉(zhuǎn)子沖片F(xiàn)ig.3 RLMB-rotor sheet

在轉(zhuǎn)子的整體設(shè)計(jì)與制造過程中，還必須注意以下幾點(diǎn)：

（1）除了轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁層外，其余的部件和材料均不能具有導(dǎo)磁、導(dǎo)電的特性，否則，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)部就可能有短路現(xiàn)象和流動(dòng)的電流出現(xiàn)，流動(dòng)的電流會(huì)使轉(zhuǎn)子的磁通路徑畸變，從而影響電機(jī)的功率密度、降低電機(jī)的運(yùn)行效率。

（2）為了加強(qiáng)轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，要求對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心磁障層澆注具有很好機(jī)械強(qiáng)度且能耐高溫的材料，如能耐高溫的環(huán)氧材料等。

（3）由于轉(zhuǎn)子鐵心磁障層的整體澆注，使得轉(zhuǎn)子鐵心的散熱效果減弱，因而，在設(shè)計(jì)和制造轉(zhuǎn)子時(shí)，不允許轉(zhuǎn)子中存在任何形式的電流，否則會(huì)增加轉(zhuǎn)子的損耗和轉(zhuǎn)子溫升，降低電機(jī)的運(yùn)行效率。該轉(zhuǎn)子的詳細(xì)制造已申請(qǐng)中國專利“雙饋無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子及其制造方法”，專利申請(qǐng)?zhí)?00910258117.9。

除了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和疊片的型式直接影響電機(jī)的磁耦合能力的強(qiáng)弱外，文獻(xiàn)[16]的研究還發(fā)現(xiàn)，不同定子繞組的極數(shù)配合，即不同的轉(zhuǎn)子極數(shù)也影響電機(jī)磁耦合的強(qiáng)弱。文中作者利用有限元方法，研究了三種不同轉(zhuǎn)子極數(shù)，即：①2p=2，2q=4，且2pr=6；②2p=2，2q=6 且2pr=8；③2p=4，2q=6 且2pr=10并對(duì)電機(jī)其他條件完全相同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的大小比較，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子極數(shù)為10 時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩比其他兩種情況的電機(jī)高50%。因此，本文設(shè)計(jì)的DEBM 選擇轉(zhuǎn)子的極數(shù)為10 極，最終設(shè)計(jì)的150kW/900r/min原型電機(jī)的主要參數(shù)見表1。

3 原型電機(jī)的有限元分析

利用 Ansoft 軟件建立了原型電機(jī)的Maxwell 2D 有限元計(jì)算模型，分析了所設(shè)計(jì)原型電機(jī)的空載和負(fù)載時(shí)的磁場分布、定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢以及各種運(yùn)行模式下的電磁轉(zhuǎn)矩大小。建模時(shí)選擇整個(gè)電機(jī)為求解區(qū)域。

表1 樣機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main dimensions of the sample machine

圖 4 為原型電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的磁場分布示意圖。圖5 為原型電機(jī)負(fù)載時(shí)氣隙磁通密度分布波形。

圖4 負(fù)載時(shí)磁場分布Fig.4 Flux distribution of the prototype DEBM

圖5 氣隙磁通密度分布波形Fig.5 Air-gap flux density distribution when loaded

從圖4 和圖5 可知，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的磁場分布與氣隙磁通密度分布都是不對(duì)稱的，這與常規(guī)交流電機(jī)很不相同。經(jīng)分析可知，勵(lì)磁電流頻率的變化和電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化只會(huì)影響磁動(dòng)勢的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，并不影響磁場分布的特點(diǎn)，因此圖4 和圖5的負(fù)載磁場分布可代表任意頻率勵(lì)磁和電機(jī)任意轉(zhuǎn)速時(shí)的磁場分布。

圖6 為原型電機(jī)負(fù)載運(yùn)行，6 極定子繞組加一定頻率和一定大小的交流電流時(shí)，4 極定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢隨轉(zhuǎn)子位置變化的波形曲線?？梢?，雖然原型電機(jī)的磁場分布具有不對(duì)稱的特性，且氣隙磁通密度分布的正弦性也不好，但定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢（即感應(yīng)電壓）卻具有較好的正弦性。這是因?yàn)橥ㄟ^轉(zhuǎn)子磁路的耦合作用，電機(jī)兩套定子繞組之間的互感與轉(zhuǎn)子位置角成正弦規(guī)律變化，因此，當(dāng)一套定子繞組中有電流激勵(lì)時(shí)，另一套定子繞組中的互感磁鏈也必然具有正弦規(guī)律變化的特性，于是，從該套定子繞組中獲得的感應(yīng)電動(dòng)勢也必然具有正弦規(guī)律變化的特性，并且，兩套定子繞組之間互感隨轉(zhuǎn)子位置變化的正弦性越好，則定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的正弦性也就越好。圖7 為原型電機(jī)6 極定子繞組交流電流激勵(lì)時(shí)，4 極定子繞組的互感磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置角變化的曲線，具有很好的正弦性。

圖6 4 極定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢波形Fig.6 The waveforms of induced voltages of 4-pole windings

圖7 4 極定子繞組互感磁鏈波形Fig.7 The waveforms of mutual flux linkage of 4-pole windings

利用Ansoft 模型計(jì)算了原型電機(jī)的空載特性曲線（參見圖10 中所示的有限元計(jì)算曲線），可見，當(dāng)勵(lì)磁電流為95A 時(shí)，原型電機(jī)的磁路開始進(jìn)入飽和。

圖8 為有限元計(jì)算的原型電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線（n=600r/min），從圖中可發(fā)現(xiàn)，原型電機(jī)具有與常規(guī)同步電機(jī)相似的轉(zhuǎn)矩特性，因此在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，可以通過采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，如定子磁場定向矢量控制技術(shù)、有功電流/無功電流解耦閉環(huán)控制方法等來靈活控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小，并實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的靈活調(diào)節(jié)（有關(guān)原型電機(jī)系統(tǒng)所采用的具體控制方法將在后續(xù)的論文中詳細(xì)說明）。

圖8 轉(zhuǎn)矩特性曲線Fig.8 Torque characteristic of the prototype DEBM

4 原型電機(jī)的實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)原型電機(jī)進(jìn)行了空載特性曲線測試和作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行的負(fù)載并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測試。圖9 為原型電機(jī)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的照片。

圖9 原型電機(jī)照片F(xiàn)ig.9 Pictures of the prototype DEBM

4.1 空載特性曲線測定實(shí)驗(yàn)

用原動(dòng)機(jī)將原型電機(jī)（作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行）拖動(dòng)至其自然同步轉(zhuǎn)速（600r/min）并保持不變，原型電機(jī)的2q極定子繞組通過機(jī)側(cè)變流器為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁，2p極定子繞組開路，當(dāng)調(diào)節(jié)2q極定子繞組勵(lì)磁電流I0從0 逐漸增大時(shí)，測定2p極定子繞組相應(yīng)的空載端電壓U0，則U0與I0的關(guān)系曲線即為電機(jī)的空載特性曲線。圖10 為該原型電機(jī)空載特性曲線的有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較（有限元計(jì)算的條件是2p極定子繞組開路，在2q極定子繞組加電流源激勵(lì)，改變激勵(lì)電流的幅值，即可計(jì)算得到相應(yīng)的2p極定子繞組開路電壓），實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果吻合很好，表明所制造原型電機(jī)的空載性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

圖10 空載特性曲線Fig.10 No-load magnetizing curve

4.2 負(fù)載并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

將原型電機(jī)的2p極定子繞組接電勵(lì)網(wǎng)，2q極定子繞組通過機(jī)側(cè)變流器為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁，起動(dòng)原動(dòng)機(jī)使發(fā)電機(jī)進(jìn)行變速負(fù)載并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，并確保原型發(fā)電機(jī)定子功率繞組滿足并網(wǎng)條件，原型電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖11 所示。

圖11 原型電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.11 DEBM experiment system

實(shí)驗(yàn)時(shí)，電網(wǎng)電壓有效值為412V，原型電機(jī)為超同步發(fā)電運(yùn)行模式，電機(jī)轉(zhuǎn)速高于其自然同步轉(zhuǎn)速600r/min，實(shí)驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速最高接近1 100r/min，因此機(jī)側(cè)逆變器的頻率與轉(zhuǎn)速一致在0～41.67Hz 之間可調(diào)。為測定所試制原型電機(jī)的效率，需要測定電機(jī)的輸入有功功率和輸出有功功率，無刷雙饋發(fā)電機(jī)的輸入有功功率通過扭矩儀測定原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速計(jì)算得到，無刷雙饋發(fā)電機(jī)的輸出有功功率分別在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1（整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的輸出端）和數(shù)據(jù)采集點(diǎn)2（原型發(fā)電機(jī)功率繞組的輸出端）進(jìn)行了電壓波形、電流波形以及功率的測試。

在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1 利用示波器波形測試法和兩功率表法分別測試記錄了整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)輸出端的電壓波形、電流波形和功率值，通過測定的電壓波形、電流波形以及它們之間的相位差計(jì)算出系統(tǒng)的輸出有功功率、利用功率表法測定的系統(tǒng)輸出有功功率數(shù)據(jù)見表2。其中電機(jī)輸入有功功率為通過扭矩儀測定原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速計(jì)算得到。當(dāng)控制器電流給定irq=-0.3 和irq=-0.5 時(shí)整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)輸出端（數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1）的電壓、電流波形分別如圖12a 和12b所示。表中電流給定值為預(yù)先給定的電機(jī)有功電流與無功電流的比值，無單位，其取值范圍為-1～1。

負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為17℃，額定功率運(yùn)行3小時(shí)后定子繞組溫度為32℃，電機(jī)噪聲為101dB。

表2 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1 測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of point #1

圖12 數(shù)據(jù)采集點(diǎn) 1的電壓和電流波形Fig.12 Waveforms of the point 1

由表2可知，在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1，兩種測試方法所測試的數(shù)據(jù)比較一致，通過測試數(shù)據(jù)所計(jì)算的整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)（包括調(diào)壓器、逆變器和濾波電感等）的效率也很一致，均大于92%，若計(jì)及調(diào)壓器效率（按98%計(jì)）和逆變器效率（按98%計(jì)）等，則原型電機(jī)本體的效率可達(dá)95%。表明所設(shè)計(jì)的徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子雙饋無刷原型電機(jī)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，同時(shí)還表明原型電機(jī)轉(zhuǎn)子的制造工藝合理、可行，更重要的是表明所設(shè)計(jì)的徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子雙饋無刷電機(jī)在工程上是可制造、可實(shí)現(xiàn)的。

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)2利用示波器測試了無刷雙饋發(fā)電機(jī)功率繞組輸出端的電壓波形和電流波形，從中得到電壓、電流有效值，以及功率因數(shù)數(shù)據(jù)，并由此計(jì)算出電機(jī)功率繞組輸出有功功率值見表3。當(dāng)控制器電流給定irq=-0.3和irq=-0.5時(shí)無刷雙饋發(fā)電機(jī)功率繞組輸出端（數(shù)據(jù)采集點(diǎn)2）的電壓、電流波形分別如圖13a和13b所示。

表3 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)2 測試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of point #2

圖13 數(shù)據(jù)采集點(diǎn) 2的電壓和電流波形Fig.13 Waveforms of the point 2

從表3還發(fā)現(xiàn)，由于原型電機(jī)采用有功電流/無功電流解耦閉環(huán)控制方法，因此當(dāng)調(diào)整控制器的電流給定為不同值，即改變電機(jī)有功電流與無功電流的比值時(shí)，電機(jī)的功率因數(shù)相應(yīng)變化，且隨有功電流比值成分的增大而增大，因此，對(duì)該原型電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的靈活調(diào)節(jié)，甚至可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)等于1的運(yùn)行（此時(shí)電流給定為+1或-1）。這對(duì)于變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)非常適用（有關(guān)該原型電機(jī)系統(tǒng)有功功率與無功功率的調(diào)節(jié)控制將在后續(xù)論文中詳細(xì)說明）。

5 結(jié)論

本文從如何提高DEBM 運(yùn)行效率和運(yùn)行性能的分析入手，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選取和制造進(jìn)行詳細(xì)說明，利用Ansoft 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)原型電機(jī)的空載和負(fù)載運(yùn)行性能進(jìn)行分析計(jì)算，并將有限元計(jì)算結(jié)果與試制的150kW/900r/min 徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子雙饋無刷風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原型電機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，原型電機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率可達(dá)92%以上，電機(jī)本體的效率可達(dá)95%。有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究表明所設(shè)計(jì)的徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子雙饋無刷原型電機(jī)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，同時(shí)還表明原型電機(jī)轉(zhuǎn)子的制造工藝合理、可行，更重要的是表明所設(shè)計(jì)的徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子雙饋無刷電機(jī)在工程上是可制造、可實(shí)現(xiàn)的。

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