深槽式凸極轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機有限元分析

薛 冰，胡 堃，樊 貝

(中國礦業(yè)大學，江蘇徐州221116)

0引 言

無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)是一種新式特種電機，因其結(jié)構(gòu)簡單結(jié)實，功率因數(shù)可控制，調(diào)速機械特性硬，當用作變頻調(diào)速電動機時所需變頻器容量較小等特點，近年來越來越受矚目。BDFM由于沒有電刷，電機運行的可靠度和環(huán)境的適應能力大大加強，電機維護費用降低;而且它同時兼有各類交流電機共有優(yōu)勢，可以自如地變換雙饋、同步、異步、電動模式;當用于變速恒頻恒壓發(fā)電機時，有功功率和無功功率可以靈活控制。多極數(shù)BDFM轉(zhuǎn)速低，適合作風力發(fā)電機不需要增速箱，使得風力發(fā)電成本大大降低，同時系統(tǒng)穩(wěn)定且便于維護，所以在風力變速恒頻發(fā)電的應用方面，BDFM具有很好的自身發(fā)展優(yōu)勢。

BDFM轉(zhuǎn)子典型種類有籠型和磁阻型。國內(nèi)對籠型轉(zhuǎn)子研究很多，文獻［1］提出等距籠型新轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過有限元分析得出此新型籠型轉(zhuǎn)子磁耦合強，高次諧波含量不多，而且它的轉(zhuǎn)子漏阻抗也非常少，具有較好的穩(wěn)定性和效率;文獻［2］仿真對比分析了幾種不同籠型轉(zhuǎn)子BDFM磁耦合效果，得出靠近公共籠條的端環(huán)對籠型轉(zhuǎn)子的磁耦合貢獻最多;文獻［3］用一臺籠型轉(zhuǎn)子BDFM樣機通過實驗驗證了一種新的分析BDFM的場路耦合二維時步有限元方法的正確性。文獻［4］分析了籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案，并對各種優(yōu)化方案進行了比較。以上文獻主要是針對籠型轉(zhuǎn)子BDFM進行研究，而對磁阻型轉(zhuǎn)子的研究相對較少，尤其對傳統(tǒng)凸極轉(zhuǎn)子的研究更少。磁阻型轉(zhuǎn)子靠自身結(jié)構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場耦合，籠型轉(zhuǎn)子則是通過轉(zhuǎn)子繞組電流完成轉(zhuǎn)子磁場耦合，且其不能阻礙恒定磁通。磁阻型轉(zhuǎn)子典型代表有凸極轉(zhuǎn)子和磁障式磁阻轉(zhuǎn)子，如圖1所示。

圖1 磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)BDFM

傳統(tǒng)凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單結(jié)實，便于加工，而磁障式磁阻轉(zhuǎn)子加工工藝繁瑣，不利于實際生產(chǎn)應用推廣，但是磁障式磁阻轉(zhuǎn)子磁場調(diào)制效果好，電機損耗小，運行穩(wěn)定，而傳統(tǒng)凸極轉(zhuǎn)子的形狀決定了其磁場調(diào)制效果不理想，擁有大量諧波磁場，電機損耗高。本文通過Ansoft二維瞬態(tài)電磁場有限元分析方法，對帶有二極控制繞組、六極功率繞組的新型深槽式凸極轉(zhuǎn)子BDFM和傳統(tǒng)凸極轉(zhuǎn)子BDFM進行有限元分析，得到其空間磁場效應圖和空間磁密分布，并對比分析它們的磁場調(diào)制效果。

1無刷雙饋電機結(jié)構(gòu)和原理

無刷雙饋電機的結(jié)構(gòu)如圖2所示［5］。定子側(cè)含有兩個繞組，一個是功率繞組極數(shù)是2pp，直通工頻電源;另一個是控制繞組極數(shù)是2pc，由雙向變頻電源供電。功率和控制繞組間沒有磁場交叉耦合，其機電能量的轉(zhuǎn)換是通過轉(zhuǎn)子調(diào)制作用完成的，轉(zhuǎn)子的調(diào)制作用決定了電機的損耗大小及穩(wěn)定度等參數(shù)。通過不斷地優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，加強空間磁場中有用的pp和pc次諧波占有率，減弱其他沒用的有害諧波占有率，進而提高電機的運行穩(wěn)定度和減小損耗［5］。

圖2 BDFM基本結(jié)構(gòu)

2深槽式凸極轉(zhuǎn)子模型

轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)決定了直軸和交軸磁阻大小不同，利用氣隙磁導對定子繞組磁動勢進行調(diào)制，使功率繞組和控制繞組產(chǎn)生的不同極數(shù)的磁場得以互相轉(zhuǎn)換［6］。凸極轉(zhuǎn)子形狀決定了dq軸方向磁阻差較小，對定子功率繞組和控制繞組的耦合能力弱，為了加大dq軸方向的磁阻差，提高轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制能力，結(jié)合磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點，在凸極轉(zhuǎn)子鐵心上增加pr個深槽，諧波磁通路徑被深槽高磁阻率所限制，使轉(zhuǎn)子磁通路徑變?yōu)閜r個，增加有效諧波占有率，減少有害諧波占有率，提高其磁場調(diào)制作用。為實現(xiàn)“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”的作用，轉(zhuǎn)子極數(shù)選取采用“和調(diào)制”，本文采用控制繞組極數(shù)2pc=2，功率繞組極數(shù)2pp=6，和調(diào)制后轉(zhuǎn)子極數(shù)pr=4，即轉(zhuǎn)子擁有4個深槽，如圖3所示。

圖3 深槽式凸極轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機

3 BDFM有限元分析

借助有限元分析軟件Ansoft，建立BDFM二維截面模型圖。為了方便對比分析深槽式凸極轉(zhuǎn)子和磁障式磁阻轉(zhuǎn)子磁耦合效果，將它們的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)取為一致，轉(zhuǎn)子鐵心除深槽外也一致，所通電壓電流也一樣。對于深槽寬度和長度選擇，可以通過對深槽寬度0．5～4．5 mm、每隔0．5 mm 進行有限元分析得知，在深槽寬度2～2．5 mm時，轉(zhuǎn)子調(diào)制效果最好，本文選擇2 mm;通過對深槽長度22～27 mm、每隔0．5 mm進行有限元分析得知，隨著長度的增加，轉(zhuǎn)子調(diào)制效果增強，但為了實際方便加工以及結(jié)構(gòu)強度的考慮，深槽長度選擇24．5 mm，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 BDFM結(jié)構(gòu)參數(shù)

利用仿真得到兩種轉(zhuǎn)子模型的有限元剖分圖如圖4所示，磁力線分布如圖5所示。從磁力線分布圖可以看出，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的深槽式凸極轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機磁力線路徑比傳統(tǒng)凸極磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機磁力線路徑規(guī)則了很多，有效地減少了有害諧波磁場。

圖4 有限元剖分圖

從圖5(c)的定子兩套繞組一起勵磁時的磁力線分布圖容易看出，轉(zhuǎn)子的4個極相互對稱，完全滿足無刷雙饋電機極數(shù)調(diào)制的原理，可以實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩，從而佐證了本文的建模和有限元計算結(jié)果的正確性。

通過后處理計算得到它們的空間磁通密度分布圖如圖6、圖7所示。

借助MATLAB，傅式分解圖6，圖7的磁密波，計算出空間磁密各次諧波比例如圖8、圖9所示，其中有用的磁場諧波是一次和三次諧波。

觀察圖8、圖9可知，功率繞組單獨勵磁時，以三次諧波為基準，空間磁密中不但包含極對數(shù)為三的有效磁密，通過轉(zhuǎn)子磁場調(diào)制后還得到許多與控制繞組極對數(shù)一致的有效諧波磁密，深槽式凸極轉(zhuǎn)子的比例達到基波比例的55%，而凸極轉(zhuǎn)子的比例只達到基波比例的45%，而且其他沒用諧波磁密比例也比深槽式凸極轉(zhuǎn)子多;控制繞組單獨勵磁時，空間磁密中不但含有基波磁密，通過轉(zhuǎn)子磁場調(diào)制后還得到許多與功率繞組極對數(shù)一致的三次有效諧波磁密，深槽式凸極轉(zhuǎn)子的比例達到基波比例的60%，而凸極轉(zhuǎn)子的比例只達到基波比例的39%，同時深槽式凸極轉(zhuǎn)子的沒用諧波磁密比例也較后者少。

綜上所述，在凸極轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)上通過優(yōu)化設(shè)計得到的深槽式凸極轉(zhuǎn)子磁耦合能力比原來的凸極轉(zhuǎn)子好，并且無效次諧波磁密比例也大大降低，電機的效率和運行性能得到提高。

4結(jié) 語

本文在分析凸極轉(zhuǎn)子特點的基礎(chǔ)上，通過對凸極轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計得到了深槽式凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，經(jīng)過有限元分析得出，深槽式凸極轉(zhuǎn)子磁耦合能力比原來凸極轉(zhuǎn)子磁耦合能力好，改善了傳統(tǒng)凸極轉(zhuǎn)子磁耦合能力差、諧波含量大、電機效率和功率密度偏低的劣勢，新型深槽式凸極轉(zhuǎn)子BDFM不但結(jié)構(gòu)簡單結(jié)實、方便制造、運行穩(wěn)定、而且具有轉(zhuǎn)子調(diào)制效果好，運行性能好等優(yōu)點，為磁阻類轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的實際應用奠定了基礎(chǔ)，也為無刷雙饋電機的優(yōu)化設(shè)計開辟了新的方向。

［1］ 鄧先明，方榮惠，王抗．等距籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的有限元分析［J］．電機與控制學報，2009，1(4):507-510．

［2］ 韓力，高強．無刷雙饋電機籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對磁場調(diào)制的影響［J］．電機與控制學報，2009，13(2):161-167．

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［5］ 胡堃，何鳳有，薛冰．深槽式籠型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的仿真分析［J］．微特電機，2011(11):34-43．

［6］ 王鳳翔，張鳳閣等．不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子磁耦合作用的對比分析［J］．電機與控制學報，1999，3(2):113-116．