磁障轉子無刷雙饋電機運行特性及實驗研究

張岳， 王鳳翔

(1.遼寧科技學院電氣與信息工程學院，遼寧本溪 117004;2.沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

無刷雙饋電機(brushless doubly－fed machine，BDFM)是一種結構簡單、堅固可靠、異同步通用的電機，這種電機的優勢在于用作交流調速電機時，變頻器的功率小，可以降低電機系統的成本，適于大功率場合應用。用于交流勵磁發電機時，可以實現變速恒頻發電，適于水力發電和風力發電的場合，同時也可在無刷情況下實行雙饋運行。因此它具有以下特點:降低所需變頻器的容量，可調節系統的功率因數，具有良好的自啟動和多種運行方式，并且轉子上沒有電刷滑環，可以提高交流調速傳動系統和變速恒頻發電系統的可靠性［1－2］。

無刷雙饋電機的機電能量轉換是基于轉子對定子上不同極數的功率繞組和控制繞組電流磁場的調制作用來實現的。因此，如何優化設計轉子結構，提高其磁場調制能力成為無刷雙饋電機設計的關鍵技術。無刷雙饋電機的轉子對定子繞組電流產生的磁場有兩種不同方式進行調制，由此產生兩種類型的無刷雙饋電機轉子結構:籠型轉子和磁阻轉子。籠型轉子無刷雙饋電機的研究是以Oregon州立大學的A.K.Wallace教授和R.Spee教授以及英國劍橋大學的Williamson教授為代表，其籠型轉子可采用單層同心式籠型短路繞組，也可采用特殊設計的雙層繞組，這類轉子結構可采用與傳統感應電機相似的制造工藝，缺點就是轉子繞組電流會產生損耗;磁阻轉子無刷雙饋電機的研究是以Wisconsin大學的T.A.Lipo教授和Ohio州立大學L.Xu教授以及Northumbria大學的R.E.Betz教授和M.G.Jovanovic教授為代表，其轉子一般有3種結構:普通凸極磁阻轉子、磁障轉子以及ALA轉子。普通凸極磁阻轉子雖然制造簡單，但對定子繞組電流的磁場調制能力較差，磁障轉子含有磁隔離層，交軸磁阻增大，磁障調制作用優于普通凸極磁阻轉子，但制造工藝比較復雜，ALA轉子是目前磁場調制效果最好的，但難以制造。上述磁阻轉子的共同優點就是轉子沒有繞組電流損耗［3］。

文獻［4］和文獻［5］分別對軸向和徑向疊片磁障式轉子無刷雙饋電機的設計與性能從理論和實驗上進行了詳細分析，但它們的磁障轉子制造工藝都比較復雜，文獻［3］詳細地分析了轉子極弧系數與磁障數量及結構參數對無刷雙饋電機性能的影響，提出一種結構簡單，便于加工制造而又性能較好的無刷雙饋磁障轉子設計方案，即通過在凸極磁阻轉子鐵心中適當地加入磁障，增加磁阻轉子對定子繞組電流磁場的調制能力，同時又保留普通磁阻轉子結構簡單和成本低廉的優點。本文在此基礎上，研究了文獻［3］所提出的磁障轉子結構的無刷雙饋電機的運行特性，基于場路耦合有限元法，較詳細地分析了5 kW、6/2極、36槽磁障轉子無刷雙饋電機的電動和發電運行模式，并通過對樣機的變速恒頻運行特性的開環實驗測試，從理論和實驗角度來驗證所設計的磁障轉子無刷雙饋電機的合理性和可行性。

1 不同磁阻轉子結構對電磁轉矩的影響

為了研究不同磁阻轉子結構對于電磁轉矩的影響，在相同電機結構尺寸和運行條件下，利用場路耦合有限元法，對比分析了如圖1所示的3種不同磁阻轉子結構無刷雙饋電機的性能。

圖13 種轉子結構無刷雙饋發電機有限元模型Fig.1 Three typical reluctance rotors

表1為采用場路耦合有限元法計算的同一定子(6極功率繞組和2極控制繞組)、相同氣隙和轉子外徑的3種不同磁阻轉子無刷雙饋電機在500 r/min運行時的電磁轉矩對比，可以看出ALA轉子的電磁轉矩可高達凸極轉子的4倍。圖2為這3種不同磁阻轉子無刷雙饋電機在500 r/min運行時的磁力線分布。

表13 種轉子結構無刷雙饋電機電磁轉矩對比Table 1 comparison of electromagnetic torque for BDFM with three different reluctance rotors

圖23 種轉子結構無刷雙饋發電機的磁力線分布Fig.2 Comparison of flux line distribution for BDFM with three different reluctance rotor

圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)分別為凸極磁阻轉子、磁障轉子和ALA轉子電機的磁力線分布，從圖2(a)中可看出它不像8極磁場而更像4極磁場，這是因為凸極磁阻轉子對定子的6極功率繞組和2極控制繞組電流磁場的調制能力不足。

由根據磁場調制無刷雙饋電機的工作原理可知，2p極功率繞組和2q極控制繞組的無刷雙饋電機的等效磁場極數為(2p+2q)極，為了提高磁阻轉子的磁場調制能力，結合ALA轉子的結構，設法使普通凸極磁阻轉子鐵心中的磁力線從凸極的中間分開，強迫磁力線分別從每個凸極的兩側進入相鄰凸極，由此產生一種在普通凸極磁阻轉子的凸極中間加入磁障限定轉子磁通路徑的磁障轉子結構，使其增強對定子繞組磁場的調制作用，而又不失凸極磁阻轉子結構簡單便于制造的優點［3］。

2 運行原理及樣機結構

無刷雙饋電機的定子上由2套各自獨立的三相對稱繞組，1套為2p極的功率繞組，另1套為2q極的控制繞組，這2套繞組間的耦合是通過特殊設計的轉子實現的。

當無刷雙饋電機運行在電動狀態時，功率繞組一般由工頻交流電源直接供電。當控制繞組短路時，電機將能夠異步起動并工作在異步運行方式;當控制繞組直接由直流電源供電時，電機將工作在同步運行方式，該種電機的同步速定義為60fp/(p+q);當控制繞組由變頻電源供電時，電機將工作在雙饋調速運行方式，此時電機的運行轉速為

其中，fp和fq分別為功率繞組和控制繞組的電流頻率。如果功率繞組和控制繞組電流同相序，上式取正號，否則取負號。

當無刷雙饋電機運行在發電狀態時，控制繞組一般用作直流或交流勵磁繞組，經由變頻器提供交流電源供電，將功率繞組作為發電繞組。一般要求發電機的輸出電能頻率為恒定。若為變速恒頻發電，功率繞組的頻率fp、控制繞組的頻率fq以及電機的轉速n之間關系為

其中:超同步時，式(2)取+號;亞同步時，取－號。由此，當轉速n變化時，通過控制fq可使fp保持恒定不變，從而實現變速恒頻控制［4－7］。

本文設計和研制的磁障轉子無刷雙饋樣機具有(2+6)極的公共定子，槽數為36，轉子為帶磁障的磁阻轉子，轉子實物如圖3所示，磁障轉子無刷雙饋電機的結構參數為:定子槽數為36;定子外徑為290 mm;定子內徑為170 mm;轉子內徑為70 mm;氣隙長0.4 mm;鐵心長為220 mm;磁障形狀為矩形;磁障數量為1條;磁障寬度為2.4 mm;磁障深度為44.6 mm。磁障轉子無刷雙饋電機的有限元模型如圖4所示。該機同步速為750 r/min。本文將對轉子帶磁障的無刷雙饋電機的運行特性及變速恒頻實驗進行詳細研究。

圖3 樣機轉子Fig.3 Rotor picture of prototype of BDFM

圖4 無刷雙饋磁阻發電機有限元模型Fig.4 FEM model of BDFM with barrier rotor

3 運行特性仿真

3.1 異步運行仿真

當電機異步起動或變頻器出現故障時，可以將控制繞組電源斷開，將控制繞組短接，系統由功率繞組提供電源，從而進行異步運行。圖5為功率繞組施加324 V，50 Hz的電源，控制繞組短路時，電機運行在異步工作狀態，利用有限元得到的電機運行特性仿真曲線。從圖中可知，電機穩態轉速接近8極同步轉速，其起動和運行過程與普通感應電機相似，異步運行時的仿真曲線符合式(1)的理論分析結果。

無刷雙饋電機異步運行相當于1臺極對數為p+q、電源頻率f=50 Hz的同步電機，其同步轉速為60f/(p+q)即750 r/min，輕載時的穩態轉矩為5 N·m。

圖5 異步運行特性波形Fig.5 Waveforms of asynchronous operation

3.2 雙饋運行仿真

當功率繞組由工頻電源供電，控制繞組由變頻器饋電時，電機工作在雙饋運行方式。通過改變變頻器的輸出頻率，即可實現電機的轉速調節［8－10］。

3.2.1 超同步運行方式

當控制繞組電流與功率繞組電流同相序時，電機運行于超同步電動狀態。圖6為功率繞組施加電壓324 V、頻率50 Hz的電源，控制繞組施加電壓50 V、頻率5 Hz的電源時運行波形。圖6(a)為功率繞組和控制繞組的電流仿真波形;圖6(b)為電機在超同步下的運行轉速。從圖中可見，電機在運行穩態時的轉速為825 r/min，其轉速值符合式(1)。這說明在超同步運行時可以通過改變變頻器的輸出頻率來調節電機的轉速，達到電機調速的目的。

圖6 超同步運行特性波形Fig.6 Waveforms of super-synchronous operation

3.2 .2亞同步運行方式

當控制繞組電流與功率繞組電流反相序時，電機運行于亞同步電動狀態。圖7為功率繞組施加電壓324 V、頻率50 Hz，控制繞組施加電壓50 V、頻率5 Hz時的運行波形。其中圖7(a)為功率繞組和控制繞組的電流波形，圖7(b)為電機在亞同步下的運行轉速波形。從圖中可見，電機在穩態運行時的轉速為675 r/min，其轉速值符合式(1)。這說明在亞同步運行時也可以通過變頻器的輸出頻率來調節電機的轉速，達到電機調速的目的。由于控制繞組時吸收功率繞組的轉差功率，因此，控制繞組的變頻器容量可以較小。

圖7 亞同步運行特性波形Fig.7 Waveforms of sub-synchronous operation

由上述電機的不同運行模式的有限元仿真結果可知，無刷雙饋電機的異步運行方式具有普通感應電機的特性;而雙饋運行方式，通過改變控制繞組電流的相序，可使電機運行于亞同步狀態或超同步狀態，改變控制繞組電流的頻率即可準確調節電機的轉速，同時，磁障轉子無刷雙饋電機在進行雙饋調速時，可以用較小容量的變頻器對較大功率的電機進行調速，特別適合于大功率的風機和泵類負載的調速節能應用。

3.2 .3變速恒頻運行方式

當無刷雙饋電機作為發電機運行時，控制繞組通常作為勵磁繞組，由變頻器向它提供轉差頻率，定子功率繞組作為發電繞組。由于勵磁繞組放置在定子上，其變速恒頻控制是在無刷情況下實現的，所以運行可靠，特別適用于長時間運行而不便維護的風力發電和水利發電領域［11］。

圖8為電機轉速為900 r/min、控制繞組施加的幅值為120 V、頻率為10 Hz的電壓時變速恒頻運行特性波形。圖8(a)為控制繞組繞組的電流波形，圖8(b)為功率繞組輸出電壓波形，從圖中可看到，功率繞組輸出電壓的頻率為50 Hz。

圖8 900r/min時變速恒頻運行特性波形Fig.8 Waveforms of VSCF operation at the speed of 900 r/min

基于上述磁障轉子無刷雙饋電機的有限元模型的參數，構建了d－q坐標系下其變速恒頻運行的Matlab/SIMULINK仿真模型［12］。當電機轉速為900 r/min時，發電機的控制繞組的勵磁電流、功率繞組的輸出電壓的仿真曲線如圖9所示。由圖可知，當發電機的轉速為900 r/min時，控制繞組施加幅值為120 V、頻率為10 Hz的勵磁電壓，無刷雙饋發電機的功率繞組的電壓輸出頻率保持50 Hz，從而實現變速恒頻控制的目的。

由于SIMULINK仿真模型的前提是假設磁路線性，它無法考慮磁路飽和對電機參數帶來的影響。從圖9中可以看出電流和電壓曲線都比較光滑。

從上述磁障轉子無刷雙饋電機變速恒頻有限元仿真和Matlab/SIMULINK仿真結果可知，當電機轉速發生變化時，通過調節控制繞組電流的頻率即可使功率繞組輸出的電壓頻率保持恒定，實現變速恒頻發電的目的，這也符公式(2)。

圖9 900r/min時無刷雙饋發電機的SIMULINK仿真波形Fig.9 SIMULINK diagram of BDFG at the speed of 900 r/min

4 變速恒頻實驗研究

為了驗證所設計的磁障轉子無刷雙饋電機的可行性及對其運行特性的有限元分析的合理性，本文對所研制的樣機進行變速恒頻發電測試［13－14］，樣機參數采用上述磁障轉子無刷雙饋電機的結構參數，實驗平臺由PWM變流器I供電的感應電動機作為原動機，驅動磁障轉子無刷雙饋電機作為發電機運行，其控制繞組由PWM變流器II供電，功率繞組輸出接可調負載電阻。

圖10為電機運行轉速為900 r/min，由控制繞組通過變頻器提供幅值為120 V、頻率為10 Hz的交流電源，功率繞組輸出的電阻負載電壓波形。

圖10 900r/min時功率繞組線電壓和控制繞組電流的實驗波形Fig.10 Experimental waveforms for voltage of power winding and current of control winding at the speed of 900 r/min

從圖中可以看出，在相同運行條件下，功率繞組輸出感應電壓波形的頻率為50 Hz，且與如圖8和圖9所示的仿真結果較好地吻合，同時實驗波形的正弦性較好，表明所設計的磁障轉子無刷雙饋電機是可行的，能滿足變速恒頻運行要求。

5 結論

基于以上對磁障轉子無刷雙饋電機運行特性以及實驗的研究，可以得出如下結論:

1)基于場路耦合法分析了轉子帶磁障的無刷雙饋電機的幾種運行模式，由仿真結果可知，符合無刷雙饋電機的運行機理，說明所設計的這種磁障轉子是合理的，驗證了這種轉子結構的無刷雙饋電機是可行的;

2)通過對所設計的磁障轉子無刷雙饋電機的變速恒頻運行特性的Matlab/SIMULINK仿真、有限元仿真以及實驗測試結果對比，驗證了所設計的磁障轉子無刷雙饋電機的設計方法是有效的，樣機性能基本符合要求，說明本文設計的磁障轉子無刷雙饋電機能夠適用于變速恒頻風力發電系統，這對優化設計無刷雙饋發電機具有一定的指導意義。

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

［2］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.

DENG Xianming，JIANG Jianguo.The principle and electromagnetic design of brushless doubly-fed machines［J］.Proccedings of the CSEE，2003，23(11)，126－132.

［3］張岳，王鳳翔，刑軍強，等.磁障轉子無刷雙饋電機［J］.電工技術學報，2012，27(7):49－54.

ZHANG Yue，WANG Fengxiang，XING Junqiang，et al.Brushless doubly-fed machines with magnetic barrier rotor［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(7):49－54.

［4］張鳳閣，王正，王鳳翔.ALA轉子無刷雙饋風力發電機的參數計算方法與轉子制造工藝探討［J］.太陽能學報，2002，23(4):498－503.

ZHANG Fengge，WANG Zheng，WANG Fengxiang.Study on the pparameter calculation method and the rotor craftwork of the doubly-fed brushless wind power generator with ALA rotor［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，，2002，23(4):498－503.

［5］劉慧娟.徑向疊片磁障式轉子雙饋無刷電機的研究［D］.北京:北京交通大學，2010.

［6］MCMAHON R A，ROBERTS P C，WANG X，et al.Performance of BDFM as a generator and motor［J］.IEE Proceedings of Electric Power Applications，2006，153(2):289－299.

［7］王愛龍，熊光煜.無刷雙饋電機電感參數的計算［J］.中國電機工程學報，2009，29(9):93－97.

WANG Ailong，XIONG Guangyu.Computation of inductance of the brushless doubly-fed machine［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29(9):93－97.

［8］黃守道，羅軍波，彭曉，等.基于MATLAB的無刷雙饋電機建模與仿真［J］.湖南大學學報:自然學科版，2002，29(6):71－75.

HUANG Shoudao，LUO Junbo，PENG Xiao，et al.Modeling and simulation of brushless doubly-fed machine based on MATLAB［J］.Journal of Hunan University:Natural Sciences Edition，2002，29(6):71－75.

［9］ROBERTS P C，MCMAHON R A，TAVNER P J，et al.Equivalent circuit for the brushless doubly fed machine(BDFM)including parameter estimation and experimental verification［J］.IEE Proceedings of Electric Power Applications，2005，152(4):933－942.

［10］BETZ R E，JOVANOVIC M G.The brushless doubly fed reluctance machine and the synchronous reluctance machine comparison［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2000，36(4):1103－1110.

［11］JOVANOVIC M G，BETZ R E，YU J.The use of doubly fed reluctance machines for large pumps and wind turbines［C］//2011 IEEE Industrial Applitations Conference，September 30－October 4，2001，Chicato，USA.2001，4:2318－2325.

［12］張鳳閣，王惠軍，佟寧澤，等.新型無刷雙饋變速恒頻風力發電系統的建模與數字仿真［J］.太陽能學報，2005，26(5):660－664.

ZHANG Fengge，WANG Huijun，TONG Ningze，et al.Modeling and simulation of variable speed constant frequency wind power generating system with doubly-fed brushless generator［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2005，26(5):660－664.

［13］XU Longya.Analysis of a doubly-excited brushless reluctance machine by finite element method［C］//IEEE Industry Applications Society Annual Meeting 1992，October 4－9，1992，Houston，USA.1992，1:171－177.

［14］張鳳閣，王鳳翔，王正.不同轉子結構的無刷雙饋電機穩態運行特性的對比實驗研究［J］.中國電機工程學報，2002，22(4):52－55.

ZHANG Fengge，WANG Fengxiang，WANG Zheng.Comparative experiment study on the performance of doubly-fed brushless machine with different rotor structures［J］.Proceedings of the CSEE，2002，22(4):52－55.