深槽式籠型轉子無刷雙饋電機的仿真分析

胡 堃，何鳳有，薛 冰

(中國礦業大學，江蘇徐州221008)

0 引 言

無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)是一種新型交流電機，它結構特殊，沒有電刷和滑環，具有同步電機的運行性能，可調節功率因數和四象限運行能力，可以工作在電動機狀態又可工作在發電機狀態。無刷雙饋電機在調速運行時只需要轉差容量大小的變頻器，所以調速成本相對較低;工作在發電狀態時可以實現變速恒頻發電，方便實現有功和無功功率的靈活調節;而工作在電動狀態時，功率繞組和控制繞組的頻率和通電相序決定了它的轉速，與負載轉矩的大小無關，所以它的機械特性較硬，因此無刷雙饋電機的應用越來越受重視。

BDFM的效率和運行性能和轉子的磁場極數轉換效率有直接關系，所以為了提高磁場極數的轉換效率，許多學者對BDFM的轉子結構進行了研究分析，設計出了多種適合BDFM運行需要的轉子結構，典型代表有環狀籠型轉子和凸極加導條轉子，如圖1所示。對這兩類轉子結構進行實驗分析對比發現，凸極加導條轉子結構的磁場極數轉換效率高，而籠型轉子的磁場極數轉換效率較低［1］，但凸極加導條轉子結構復雜，不能單饋異步運行［2］，而籠型轉子結構簡單，且能在變頻器發生故障時，可以斷開控制繞組電源，僅由功率繞組提供電能，進行單饋異步運行，可靠性和安全性高。

綜合上述兩類轉子結構的優點，本文以控制繞組為2極(pc=1)，功率繞組為6極(pp=3)的新型深槽式籠型轉子無刷雙饋電機和凸極加導條轉子無刷雙饋電機為例，利用Ansoft軟件對其進行建模仿真，計算出電機磁力線分布，氣隙磁密各次諧波含量并對兩者仿真結果進行分析對比，得出此新型深槽式籠型轉子具有優良的磁場調制能力，可以完全替代結構復雜的凸極加導條轉子。深槽式籠型轉子的提出為BDFM優化設計開辟了新方向，為電機的實際應用奠定了基礎。

1 無刷雙饋電機的結構和基本原理

無刷雙饋電機的基本結構由定子、轉子、公共磁路組成，兩套不同極對數的三相對稱繞組安裝在定子側，3對極的功率繞組接工頻電源，1對極的控制繞組接可逆變頻器，如圖2所示［3］。

圖2 無刷雙饋電機的結構

工頻電源提供電功率，改變可逆變頻器的頻率，改變控制繞組中電流頻率，從而改變轉子轉速，轉速表達式［4］:

“+”表示功率繞組和控制繞組產生相同相序的旋轉磁勢，“－”表示功率繞組和控制繞組產生相反相序的旋轉磁勢［5］。

當定子功率繞組與控制繞組分別連接頻率為fp和fc的三相對稱交流電壓時，產生三相對稱交流電流，在電機磁路中建立兩個旋轉的磁場，定子中這兩個極對數不同的空間磁場不能直接耦合，需要通過特殊的轉子結構進行間接耦合，與轉子感應電流形成的磁場相互作用產生電磁轉矩，轉子磁場需要進行極對數的自動轉換才能與定子磁場相匹配，最終形成穩定的電磁轉矩，實現機電能量的轉換，所以轉子結構應具備“極數轉換器”的功能，轉換的效率越高，電機的性能就越好。BDFM轉子磁場轉換是利用轉子諧波磁場來實現的，其轉換程度由對應磁場的諧波含量決定，對應磁場的諧波含量越高，轉換效率就越好，而其它各次諧波磁通會在轉子中感應諧波電勢，產生諧波電流，建立諧波磁場，會產生制動轉矩，增加電機損耗，所以需要除有用的諧波含量高以外，其他各次諧波含量越少越好。

2 深槽式籠型轉子的設計

凸極加導條結構電機的轉子磁路不對稱，直軸d方向磁阻小，交軸q方向磁阻大，產生了交直軸方向的磁阻差別。功率繞組產生的旋轉磁勢作用在不對稱的轉子磁路上，會產生與控制繞組相同極數的諧波磁場;同樣控制繞組也產生與功率繞組相同極數的諧波磁場。所以通過磁路的不對稱性來調制兩個旋轉磁勢的能量轉換，所以電機效率高。

籠型轉子BDFM的轉子磁路對稱，它的磁場極數轉換不能通過磁路不對稱性來調制，其轉子電路分別由pp+pc個環狀電路組成，它是依靠轉子電流的不對稱分布來產生諧波磁場，完成磁場極數轉換，其轉換效率不高。

深槽式籠型轉子的設計是基于籠型轉子的基礎上，在轉子上額外增加pp+pc個轉子深槽，依靠這些轉子深槽將轉子劃分為pp+pc個磁極，將磁路不對稱特性加到籠型轉子中，這樣既保留了結構簡單可靠，能單饋異步運行的籠型轉子的優點;又提高了它的磁場轉換效率。在這里取控制繞組極對數pc=1，功率繞組極對數pp=3，所以圖3中的深槽數為4。

圖3 深槽式籠型轉子BDFM

3 BDFM建模與仿真

利用Ansoft軟件的二維瞬態場建立電機的Maxwell－2D模型，因為BDFM內部磁場不對稱，所以求解域選取整個電機截面。為了比較深槽式籠型轉子和凸極加導條轉子磁場調制效果，使其定子鐵心與定子繞組參數完全相同，并且對其所施加的激勵也完全相同，它們的結構參數如表1所示。

表1 BDFM結構參數

通過Ansoft有限元計算得出兩種轉子電機的磁力線分布如圖4所示。由圖4c可以看出，轉子的極數是4極，符合BDFM極數調制原則，使轉子具有pp+pc個對稱極數，能夠產生穩定的電磁轉矩。

再利用Ansoft的后處理命令可以求出兩種轉子各自的氣隙磁密波形如圖5、圖6所示。

利用MATLAB軟件編程出計算函數對圖5、圖6的磁通密度波進行傅里葉分解，得到兩種轉子結構BDFM的氣隙磁通各次諧波含量如圖7、圖8所示。因為控制繞組極對數pc=1，功率繞組極對數pp=3，因此基波和3次諧波是具有機電能量轉換作用的有效次諧波，這兩種諧波所占的比重越大，其它無效次諧波所占的比重越小，則磁場調制效果越好［6］。

從圖7、圖8可見，當控制繞組勵磁時，氣隙磁通除了含有基波磁通，還含有大量和功率繞組相同極對數的3次諧波磁通，凸極加導條轉子和深槽式籠型轉子的幅值都達到基波幅值的48%左右，但深槽式籠型轉子的其它無效次諧波磁通含量較凸極加導條轉子少;當功率繞組勵磁時，氣隙磁通中除含有極對數為3的基波磁通外，還含有大量與控制繞組相同極對數的諧波磁通，深槽式籠型轉子的幅值達到基波幅值的60%，而凸極加導條轉子的幅值只達到基波幅值的51%，并且深槽式籠型轉子的其它無效次諧波磁通含量也較凸極加導條轉子少。

綜上所述，深槽式籠型轉子BDFM對磁場極數調制作用比凸極加導條轉子BDFM對磁場極數調制作用好，即磁場極數的相互轉換的效率較高，并且無效次諧波磁通含量也較少，因此電機效率也較高。

4 結 語

在綜合籠型轉子和凸極加導條轉子優點的基礎上，運用Ansoft軟件對一種新型深槽式籠型轉子無刷雙饋電機進行建模仿真，經過分析對比發現，深槽式籠型轉子BDFM對磁場極數的調制作用比凸極加導條轉子BDFM對磁場極數的調制作用效果好，由于籠型轉子的磁場極數轉換效率比凸極加導條轉子結構的磁場極數轉換效率要低，因此深槽式籠型轉子BDFM的提出極大地提高了籠型轉子對磁場的轉換效率。可見，深槽式籠型轉子BDFM同時具有磁場極數轉換效率高，結構簡單結實，能單饋異步運行，運行可靠性高等優點，對無刷雙饋電機的應用研究具有參考價值。

［1］ 王鳳翔，張鳳閣，徐隆亞.不同轉子結構無刷雙饋電機轉子磁耦合作用的對比分析［J］.電機與控制學報，1999，3(2):113－116.

［2］ 鄧先明.無刷雙饋電機的電磁分析與設計應用［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［3］ Williamson S，Ferreira A C，Wallace A K.Generalised theory of the brushless doubly － fed machine.Part 1:Analysis［J］.IEE Proc E-lectrical Power Applications，1997，144(2):111 －122.

［4］ 鄧先明，姜建國.無刷雙饋電機的工作原理及電磁設計［J］.中國電機工程學報，2003，23(11):126 －132.

［5］ 胡堃，伍小杰，鄧先明.無刷雙饋電機的工作特性測試［J］.煤礦機械，2007，28(6)，60 －63.

［6］ 王鳳翔，張鳳閣.磁場調制式無刷雙饋交流電機［M］.長春:吉林大學出版社，2004.

［7］ 劉國強.Ansoft工程電磁場有限元分析［M］.北京:電子工業出版社，2006.