深槽式凸極轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)有限元分析

薛 冰，胡 堃，樊 貝

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221116)

0引 言

無(wú)刷雙饋電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BDFM)是一種新式特種電機(jī)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)實(shí)，功率因數(shù)可控制，調(diào)速機(jī)械特性硬，當(dāng)用作變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)時(shí)所需變頻器容量較小等特點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受矚目。BDFM由于沒(méi)有電刷，電機(jī)運(yùn)行的可靠度和環(huán)境的適應(yīng)能力大大加強(qiáng)，電機(jī)維護(hù)費(fèi)用降低;而且它同時(shí)兼有各類交流電機(jī)共有優(yōu)勢(shì)，可以自如地變換雙饋、同步、異步、電動(dòng)模式;當(dāng)用于變速恒頻恒壓發(fā)電機(jī)時(shí)，有功功率和無(wú)功功率可以靈活控制。多極數(shù)BDFM轉(zhuǎn)速低，適合作風(fēng)力發(fā)電機(jī)不需要增速箱，使得風(fēng)力發(fā)電成本大大降低，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定且便于維護(hù)，所以在風(fēng)力變速恒頻發(fā)電的應(yīng)用方面，BDFM具有很好的自身發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

BDFM轉(zhuǎn)子典型種類有籠型和磁阻型。國(guó)內(nèi)對(duì)籠型轉(zhuǎn)子研究很多，文獻(xiàn)［1］提出等距籠型新轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元分析得出此新型籠型轉(zhuǎn)子磁耦合強(qiáng)，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(xiàn)［2］仿真對(duì)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(duì)籠型轉(zhuǎn)子的磁耦合貢獻(xiàn)最多;文獻(xiàn)［3］用一臺(tái)籠型轉(zhuǎn)子BDFM樣機(jī)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種新的分析BDFM的場(chǎng)路耦合二維時(shí)步有限元方法的正確性。文獻(xiàn)［4］分析了籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并對(duì)各種優(yōu)化方案進(jìn)行了比較。以上文獻(xiàn)主要是針對(duì)籠型轉(zhuǎn)子BDFM進(jìn)行研究，而對(duì)磁阻型轉(zhuǎn)子的研究相對(duì)較少，尤其對(duì)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)耦合，籠型轉(zhuǎn)子則是通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組電流完成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(jiǎn)單結(jié)實(shí)，便于加工，而磁障式磁阻轉(zhuǎn)子加工工藝繁瑣，不利于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用推廣，但是磁障式磁阻轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)調(diào)制效果好，電機(jī)損耗小，運(yùn)行穩(wěn)定，而傳統(tǒng)凸極轉(zhuǎn)子的形狀決定了其磁場(chǎng)調(diào)制效果不理想，擁有大量諧波磁場(chǎng)，電機(jī)損耗高。本文通過(guò)Ansoft二維瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析方法，對(duì)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(jìn)行有限元分析，得到其空間磁場(chǎng)效應(yīng)圖和空間磁密分布，并對(duì)比分析它們的磁場(chǎng)調(diào)制效果。

1無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)和原理

無(wú)刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示［5］。定子側(cè)含有兩個(gè)繞組，一個(gè)是功率繞組極數(shù)是2pp，直通工頻電源;另一個(gè)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(méi)有磁場(chǎng)交叉耦合，其機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換是通過(guò)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(jī)的損耗大小及穩(wěn)定度等參數(shù)。通過(guò)不斷地優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)空間磁場(chǎng)中有用的pp和pc次諧波占有率，減弱其他沒(méi)用的有害諧波占有率，進(jìn)而提高電機(jī)的運(yùn)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(dǎo)對(duì)定子繞組磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)調(diào)制能力，結(jié)合磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在凸極轉(zhuǎn)子鐵心上增加pr個(gè)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(gè)，增加有效諧波占有率，減少有害諧波占有率，提高其磁場(chǎng)調(diào)制作用。為實(shí)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(gè)深槽，如圖3所示。

圖3 深槽式凸極轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)

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(duì)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(duì)于深槽寬度和長(zhǎng)度選擇，可以通過(guò)對(duì)深槽寬度0．5～4．5 mm、每隔0．5 mm 進(jìn)行有限元分析得知，在深槽寬度2～2．5 mm時(shí)，轉(zhuǎn)子調(diào)制效果最好，本文選擇2 mm;通過(guò)對(duì)深槽長(zhǎng)度22～27 mm、每隔0．5 mm進(jìn)行有限元分析得知，隨著長(zhǎng)度的增加，轉(zhuǎn)子調(diào)制效果增強(qiáng)，但為了實(shí)際方便加工以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的考慮，深槽長(zhǎng)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(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的深槽式凸極轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)磁力線路徑比傳統(tǒng)凸極磁阻轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)磁力線路徑規(guī)則了很多，有效地減少了有害諧波磁場(chǎng)。

圖4 有限元剖分圖

從圖5(c)的定子兩套繞組一起勵(lì)磁時(shí)的磁力線分布圖容易看出，轉(zhuǎn)子的4個(gè)極相互對(duì)稱，完全滿足無(wú)刷雙饋電機(jī)極數(shù)調(diào)制的原理，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jì)算結(jié)果的正確性。

通過(guò)后處理計(jì)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(jì)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(chǎng)諧波是一次和三次諧波。

觀察圖8、圖9可知，功率繞組單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)，以三次諧波為基準(zhǔn)，空間磁密中不但包含極對(duì)數(shù)為三的有效磁密，通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)調(diào)制后還得到許多與控制繞組極對(duì)數(shù)一致的有效諧波磁密，深槽式凸極轉(zhuǎn)子的比例達(dá)到基波比例的55%，而凸極轉(zhuǎn)子的比例只達(dá)到基波比例的45%，而且其他沒(méi)用諧波磁密比例也比深槽式凸極轉(zhuǎn)子多;控制繞組單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)，空間磁密中不但含有基波磁密，通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)調(diào)制后還得到許多與功率繞組極對(duì)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(dá)到基波比例的60%，而凸極轉(zhuǎn)子的比例只達(dá)到基波比例的39%，同時(shí)深槽式凸極轉(zhuǎn)子的沒(méi)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(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的深槽式凸極轉(zhuǎn)子磁耦合能力比原來(lái)的凸極轉(zhuǎn)子好，并且無(wú)效次諧波磁密比例也大大降低，電機(jī)的效率和運(yùn)行性能得到提高。

4結(jié) 語(yǔ)

本文在分析凸極轉(zhuǎn)子特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)凸極轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了深槽式凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)有限元分析得出，深槽式凸極轉(zhuǎn)子磁耦合能力比原來(lái)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(jī)效率和功率密度偏低的劣勢(shì)，新型深槽式凸極轉(zhuǎn)子BDFM不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)實(shí)、方便制造、運(yùn)行穩(wěn)定、而且具有轉(zhuǎn)子調(diào)制效果好，運(yùn)行性能好等優(yōu)點(diǎn)，為磁阻類轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為無(wú)刷雙饋電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的方向。

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

［2］ 韓力，高強(qiáng)．無(wú)刷雙饋電機(jī)籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)調(diào)制的影響［J］．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13(2):161-167．

［3］ 王愛(ài)龍，熊光煜．無(wú)刷雙饋電機(jī)時(shí)步有限元分析［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(21):123-127．

［4］ 劉憲栩，章瑋．籠型無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析［J］．微電機(jī)，2007，40(1):20-21．

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

［6］ 王鳳翔，張鳳閣等．不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子磁耦合作用的對(duì)比分析［J］．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，1999，3(2):113-116．