新型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)電磁設(shè)計(jì)*

王秀平， 張鳳閣

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110870;2.沈陽工程學(xué)院，遼寧沈陽 110136)

0 引言

無刷雙饋電機(jī)是眾多學(xué)者們關(guān)注的新型交流感應(yīng)電機(jī)。它具有許多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，無刷可靠，所需要的變頻器容量較低，非常適用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電［1-2］。

無刷雙饋電機(jī)源于單定子自級聯(lián)感應(yīng)電機(jī)，在相同磁路中產(chǎn)生了兩個(gè)不同極數(shù)的氣隙磁場［3］，經(jīng)過 Hunt和 Broadway 的改進(jìn)之后，該電機(jī)魯棒性和可靠性再次引起了學(xué)者的興趣。當(dāng)時(shí)，無刷雙饋電機(jī)具有兩套不同極數(shù)的定子繞組，由工作原理希望兩套繞組之間沒有直接的耦合關(guān)系，他們的耦合僅依靠轉(zhuǎn)子。因此，轉(zhuǎn)子是影響無刷雙饋電機(jī)的耦合性能的主要因素，尋求良好性能的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問題之一。

無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)首先具有對兩套定子繞組具有良好的“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”的作用，也就是在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生較高的有用諧波及參數(shù)較低的無用諧波。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還需要具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，并且從工藝上易于實(shí)現(xiàn)。

Broadway 和 Burbidge［4］提出了籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于無刷雙饋電機(jī)，Richard Mcmahon［5］設(shè)計(jì)了籠型轉(zhuǎn)子和繞線型轉(zhuǎn)子，并對這兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行了對比研究。Longya Xu［6］研究了徑向疊片磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機(jī)，并用試驗(yàn)證明了電機(jī)本體上達(dá)到了96%的高效率。王雪帆研究了基于齒諧波原理和變極原理的繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)［7］，并證明了該類型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)具有良好的效率。

研究并尋求高效率，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、工藝易于實(shí)現(xiàn)的無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，依然是學(xué)者們研究的目標(biāo)。論文在分析了無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)之后，對新型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得到了優(yōu)化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，為無刷雙饋電機(jī)的推廣應(yīng)用及轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)提供了新選擇。

1 無刷雙饋電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)

無刷雙饋電機(jī)定子上有兩套不同極數(shù)的三相對稱繞組，定子功率繞組，極數(shù)為2pp，運(yùn)行時(shí)直接與電網(wǎng)相連，定子控制繞組，極數(shù)為2pq，運(yùn)行時(shí)通過雙向變頻器與電網(wǎng)相連。兩個(gè)極數(shù)與轉(zhuǎn)子極對數(shù)pr的關(guān)系如下:

因?yàn)閮商锥ㄗ永@組具有不同的極數(shù)，他們所產(chǎn)生的不同極數(shù)的兩個(gè)磁場共同存在于同一鐵心中。功率繞組和控制繞組的作用相當(dāng)于傳統(tǒng)的繞線式異步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 無刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

無刷雙饋電機(jī)具有多種運(yùn)行方式［8-9］，包含異步單饋運(yùn)行方式，同步運(yùn)行方式和雙饋運(yùn)行方式等。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)，滿足式(2):

這里ω1和ω2分別是定子功率繞組和控制繞組的角頻率。當(dāng)控制繞組接直流時(shí)，電機(jī)的自然同步轉(zhuǎn)速為

多種運(yùn)行方式的優(yōu)勢使無刷雙饋電機(jī)特別適用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

2 無刷雙饋電機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 定子設(shè)計(jì)

無刷雙饋電機(jī)在雙饋運(yùn)行方式時(shí)，兩套定子繞組均被激勵(lì)，所產(chǎn)生的兩個(gè)不同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場，依賴特殊轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制作用，兩定子繞組之間沒有直接的耦合關(guān)系。因此，對于不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，只要滿足極數(shù)關(guān)系，定子可以相同，單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)被多數(shù)學(xué)者們所認(rèn)可。定子繞組分為單繞組和雙繞組結(jié)構(gòu)，但是單繞組結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約銅線，槽滿率低，易于嵌線，但是它對兩套繞組的限制較多，有些情況甚至無法實(shí)現(xiàn)，工藝上也復(fù)雜。雙繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是兩套定子繞組獨(dú)立設(shè)計(jì)，非常容易實(shí)現(xiàn)不同極數(shù)的配合，原理上特別易于實(shí)現(xiàn)，因此被多數(shù)研究者所采用。為了減少高次諧波和互感電動(dòng)勢，定子繞組選擇用雙層和短距繞組，實(shí)現(xiàn)方式與常規(guī)異步電機(jī)無異。設(shè)計(jì)無刷雙饋電機(jī)樣機(jī)定子尺寸如表1所示。

表1 無刷雙饋電機(jī)定子結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2顯示了雙層定子繞組的槽電動(dòng)勢星形圖。為減少制造成本，定子鐵心選用現(xiàn)成的Y系列電機(jī)的定子沖片，相對于傳統(tǒng)的異步電機(jī)，產(chǎn)生相同的功率，定子內(nèi)徑約需擴(kuò)大30%。

圖2 槽電動(dòng)勢星形圖

2.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

目前無刷雙饋電機(jī)還沒能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，重要的原因在于該電機(jī)的磁場調(diào)制能力不高，從而導(dǎo)致電機(jī)的效率不高。轉(zhuǎn)子在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換中起著決定性作用，因此尋求良好磁場調(diào)制性能的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，是提高該電機(jī)效率和推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵所在。無刷雙饋電機(jī)主要有兩類轉(zhuǎn)子，籠型轉(zhuǎn)子和磁阻類轉(zhuǎn)子?；\型轉(zhuǎn)子磁場調(diào)制能力不高，而且轉(zhuǎn)子籠條電流流過存在銅耗，因此效率不高;磁阻類轉(zhuǎn)子分為普通凸極磁阻轉(zhuǎn)子、磁障式磁阻轉(zhuǎn)子和混合轉(zhuǎn)子。論文對上述四種轉(zhuǎn)子進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)氣隙磁通密度的傅里葉分解，研究有用諧波的大小，得到他們的磁場調(diào)制能力。12/8極四種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機(jī)有限元模型如圖3所示。前期研究已經(jīng)證明，普通磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)(圖3(b))的磁耦合能力較弱，為了改變磁通流向，使跨極磁通進(jìn)一步減少，在普通磁阻轉(zhuǎn)子的凸極上加上隔磁層，增大d軸磁通，減少q軸磁通，有望增強(qiáng)磁場調(diào)制效果，稱為磁障式磁阻轉(zhuǎn)子，如圖3(c)所示。圖3(d)是一種新型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，在磁障式磁阻轉(zhuǎn)子基礎(chǔ)上，加上公共籠條，籠條沿軸向均勻放入，并將兩個(gè)端部都短路，這樣做可以為電機(jī)輸出更大的電磁轉(zhuǎn)矩。

圖3 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機(jī)

利用有限元分析軟件，對磁場調(diào)制能力進(jìn)行分析。圖4顯示了混合轉(zhuǎn)子氣隙磁密和有效諧波大小。從圖4可看出機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的過程，當(dāng)功率繞組單獨(dú)激勵(lì)時(shí)，產(chǎn)生了最大的6次諧波(12極)和較大的4次諧波(8極)，同理，當(dāng)控制繞組單獨(dú)激勵(lì)時(shí)，產(chǎn)生了最大的4次諧波和較大的6次諧波。當(dāng)無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行時(shí)，氣隙中所產(chǎn)生的有用諧波(即6次諧波和4次諧波)通過上述轉(zhuǎn)子完成能量交換。

圖4 新型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)氣隙磁密波形和氣隙磁密傅里葉分解

圖5顯示了四種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機(jī)在功率繞組和控制繞組分別單獨(dú)激勵(lì)時(shí)的諧波大小。由圖5可看出，按照籠型轉(zhuǎn)子、凸極磁阻轉(zhuǎn)子、磁障式磁阻轉(zhuǎn)子和籠條及磁障結(jié)合式轉(zhuǎn)子的順序，不管是8極繞組單獨(dú)激勵(lì)，還是4極繞組單獨(dú)激勵(lì)，其氣隙磁場中有用諧波(4次和2次諧波)的含量逐步增大，而對機(jī)電能量交換無用的高次諧波含量逐步減小，具有明顯的規(guī)律性，證明了四種轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制能力從前往后逐步增大?；\條和磁障混合轉(zhuǎn)子具有最優(yōu)的磁場調(diào)制效果，并且具有良好的起動(dòng)性能，是一種有著廣闊前景的新型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子形式。

圖5 不同轉(zhuǎn)子在單獨(dú)激勵(lì)時(shí)諧波大小

圖5中，轉(zhuǎn)子類型和曲線代號分別表示為

1——籠型轉(zhuǎn)子;

2——普通凸極磁阻轉(zhuǎn)子;

3——磁障式磁阻轉(zhuǎn)子;

4——籠條和磁障混合轉(zhuǎn)子;

Curve1——4次諧波(8極)含量大小;

Curve2——2次諧波(4極)含量大小;

Curve3——高次諧波(前30次)含量大小。

3 結(jié)語

無刷雙饋電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和交流調(diào)速領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。論文研究了幾種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機(jī)的磁場調(diào)制能力，并提出了最優(yōu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，結(jié)論如下:

(1)無刷雙饋電機(jī)定子電磁設(shè)計(jì)可參照常規(guī)交流電機(jī)進(jìn)行，其定子沖片也可借助現(xiàn)有系列電機(jī)沖片來應(yīng)用。

(2)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)是無刷雙饋電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對四種常見轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用有限元對磁場進(jìn)行計(jì)算，通過分析氣隙磁密中有效諧波的大小，來分析不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁場調(diào)制能力。

(3)論文研究表明:籠條和磁障混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的磁場調(diào)制能力，是一種極具前景的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

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