定子雙饋無刷風電機磁場分析

曲春雨，閆江峰，王秀平，曹金龍

（沈陽工程學院，沈陽 110136）

定子雙饋無刷風電機磁場分析

曲春雨，閆江峰，王秀平，曹金龍

（沈陽工程學院，沈陽 110136）

高可靠性定子雙饋電機在風力發電領域具有廣闊的應用前景。本文首先介紹了定子雙饋無刷雙饋電機在風力發電中的運行原理，然后繪制了該電機的二維和三維結構圖，對該電機進行了有限元分析計算，為電機的開發應用提供參考。

雙饋無刷電機；轉子結構；有限元分析；應用前景

1 引言

電機是工農業生產中不可缺少的電磁裝置，廣泛應用的主要是異步電機和同步電機。鼠籠型異步電機簡單、堅固而且耐用， 是驅動領域的主要電動機，但缺點就是起動和調速性能不夠理想，繞線型異步電機可以實現雙饋運行，可實現串級調速，但本身結構包含了電刷和滑環，運行可靠性和在惡劣環境的應用方面顯得不足；火力發電和水力發電中廣泛利用了同步發電機，但應用于風力發電，存在了局限性。目前快速發展的永磁風力發電機，雖然具有高效率，優良的運行性能，但變頻器容量較大，而且無法實現雙饋運行。雙饋無刷電機是近些年發展起來的一種新型交流電機，該電機通過變頻器的是轉差頻率、功率因數可調、無刷耐用而且結構簡單，將在交流調速驅動系統和變速恒頻風力發電領域應用前景廣闊，具有較大的應用市場。目前，雙饋電機的運行原理、功率流向和運行性能已經進行了深入的研究， 開展了推廣應用的前期基礎工作［1-4］。但是，雙饋無刷電機僅僅小部分應用于實驗系統，大多數學者仍然在實驗室進行開發和研究，距離產業化還有距離，因此，學者們積極尋求各種有效的途徑和手段，深入開展該電機的推廣應用技術研究，該電機已經成為近幾年學者們研究的熱點問題之一［5-6］。

本文首先陳述雙饋無刷電機的結構和運行原理，然后借助有限元分析軟件，對磁場進行了分析，表明了設計樣機的合理性。

2 雙饋無刷電機的結構和運行原理

與傳統交流電機相比，雙饋無刷電機結構比較特殊，在定子上嵌放了2pp極的功率繞組和2pc極的控制繞組，雙饋運行時，功率繞組連接電網，控制繞組經過雙向變頻器連接到電網。轉子極對數pr和定子兩套繞組極對數之間的關系如下：

因此，在電機的氣隙中將會存在兩種極數磁場的耦合，這兩個磁場的耦合是通過特殊轉子結構來實現的，因而也就完成了定轉子間的機電能量交換。功率繞組和控制繞組的作用近似看作傳統的繞線式異步電機的定子和轉子繞組，其結構示意圖如圖1所示。

雙饋無刷電機突出的特點就是運行方式較多［8-9］，可以實現雙饋發電、 雙饋驅動、異步運行和同步運行等方式，雙饋發電運行時的各個物理量的關系式為：

式中f1和f2分別指的是功率繞組和控制繞組的電流頻率。“+”“-”分別表示兩定子繞組的電流為同相序和反相序。當風速或者水速改變時，由式子（2），通過改變控制繞組的頻率，可以確保功率繞組的輸出頻率為50Hz，發揮了變速恒頻發電的目的。因此，雙饋無刷電機常常用于變速恒頻風力或者水力發電機系統。

3 定子雙饋無刷發電機性能的磁場分析

兩套定子繞組具有不同的極數，因此轉子在磁場耦合過程中承擔著“極數轉換器”功能，常見的轉子類型主要有同心籠型、磁障磁阻型和混合轉子等。混合轉子定子雙饋無刷電機的三維結構圖如圖2所示。主要組成包含：定子、轉子、隔磁環、端部短路環、轉軸等。為了進行對定子雙饋風電機進行磁場分析，需要建立該電機的二維結構模型，在ΑUTOCΑD里面建立的模型，然后導入有限元分析軟件，如圖3所示。

按照如下步驟進行有限元分析計算，步驟為：

（1）建立模型；（2）制定材料的屬性：定子和轉子鐵心為硅鋼片，定子繞組為銅，轉子軸為；（3）鑄鐵。建立邊界條件和激勵源；（4）設定求解參數；（5）后處理，得到結果。

得到的有限元分析的結果如下，

從圖4可以看出，定子雙饋風電機在負載運行時，磁場分布合理，定子軛部1.5T， 定子齒部1.6T， 轉子的平均磁密在1.4T， 磁密分布合理。

從圖5所示，磁力線沿著希望的路徑流通，轉子的凸極效應明顯。也有磁力線從一個單元跨到了另一個單元，這是我們不希望存在的，因此在結構的改進設計時，應充分考慮這方面影響。

圖6給出了氣隙磁密分布，圖7給出了氣隙磁密的FFT分解。可以看出，氣隙磁密分布明顯非正弦性，這是由于該類電機的特殊結構和原理導致。 通過FFT分析可以看出，所有諧波中，只有4次和8次諧波最大，這是由于該電機在運行時，是依靠這兩種諧波來工作的。

4 結論

在分析了無刷雙饋電機原理的基礎上，繪制了定子雙饋無刷電機的三維結構圖，然后對該電機的性能進行了有限元分析，通過有限元分析發現，各部分磁密分布合理，磁力線能夠沿著希望的路徑流通，同時，該電機的氣隙磁場不對稱，明顯不具備正弦性特點，但從FFT分解來看，該電機的有效諧波較大，較好的完成了機電能量交換。

［1］P J Tavner， R A MMahon， P Roberts， etc， Rotor Design & Performance for a BDFM， Greece， September， 2006，pp∶439-443.

［2］Richard McMahon， Peter Tavner， Ehsan Abdi， Paul Malliband and Darren Barkerd， Characterising Rotors for Brushless Doubly-Fed Machines （BDFG）， ICEM 2010，pp.1-6， 2010.

［3］Huijuan Liu， Longya Xu， Performance analysis of a doubly excited brushless machine for variable speed application，ICEMS2011， 2011.

［4］王秀平，郭瑞，王東瑞.無刷雙饋電機的轉子結構及其應用前景［J］.硅谷，2012（10）∶24-25.

［5］王秀平，張鳳閣.新型轉子無刷雙饋電機電磁設計［J］.電機與控制應用，2012，39（07）∶12-15.

［6］張繼東.無刷雙饋電機調速系統仿真研究［J］.內蒙古石油化工，2012 （15）∶10-13.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.173

曲春雨（1979-），碩士，高級實驗師，研究方向：特種電機及其控制技術。