深槽式凸極轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的電磁設(shè)計

薛 冰

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，蘇州 215163)

0 引 言

無刷雙饋電機(jī)是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的新型電機(jī)，它略去電刷，結(jié)構(gòu)可靠簡單，其所需變頻器容量低，運(yùn)行可靠，機(jī)械特性硬，在很多領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用前景。其定子繞組具備極數(shù)各異、互為冗余的控制、功率兩組繞組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為籠型和磁阻兩大類，但傳統(tǒng)的無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場耦合能力弱，導(dǎo)致電機(jī)性能和效率不高[1]。所以，對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，增強(qiáng)磁場耦合能力，促進(jìn)其實(shí)用化意義重大。

普通凸極轉(zhuǎn)子磁耦合能力弱，電機(jī)性能差，為進(jìn)一步提高電機(jī)性能，對原有普通凸極轉(zhuǎn)子進(jìn)行尺寸優(yōu)化，并改進(jìn)了其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一臺6 kW的深槽式凸極轉(zhuǎn)子BDFM，依據(jù)BDFM的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計方法[2]，對一臺6 kW的BDFM的主要尺寸進(jìn)行了計算，并對其凸極長度和寬度進(jìn)行了尺寸優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的設(shè)計靈感，對原轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，建立了深槽式凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，確定了深槽的深度與寬度的最優(yōu)尺寸方案。為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子磁耦合能力，又在深槽中額外增加短路導(dǎo)條，最后比較優(yōu)化改進(jìn)前后轉(zhuǎn)子的磁耦合能力。

普通凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其結(jié)構(gòu)簡單結(jié)實(shí)，制造加工方便，缺點(diǎn)就是各個磁極之間磁隔離效果差，磁耦合作用弱。磁障式磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其結(jié)構(gòu)較凸極轉(zhuǎn)子復(fù)雜，各個導(dǎo)磁體整體的加工固定比較困難，不易于生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，但是其磁障很好地加大了交軸磁阻，使交直軸方向的磁阻差增大，磁場耦合作用得到進(jìn)一步提升[3]。

(a) 普通凸極轉(zhuǎn)子

(b) 磁障式磁阻轉(zhuǎn)子

設(shè)計一種既結(jié)構(gòu)簡單易于批量生產(chǎn)加工又有良好的磁場調(diào)制能力的磁阻型轉(zhuǎn)子，將對BDFM的推廣和實(shí)用化打下良好的基礎(chǔ)，本文綜合了普通凸極轉(zhuǎn)子和磁障式磁阻轉(zhuǎn)子兩者的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計的深槽式凸極轉(zhuǎn)子基本具備上述優(yōu)點(diǎn)。

1 無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行機(jī)理

如圖2所示，BDFM的定子擁有極數(shù)互異且相對不影響的功率以及控制繞組，功率繞組電連接家用電電源，控制繞組電連接頻率可控的電源。

定子功率繞組通入頻率為fp的三相交流電壓，控制繞組通入頻率為fc的三相交流電壓，電機(jī)同一個磁路中會產(chǎn)生兩個轉(zhuǎn)速和極對數(shù)都不同的旋轉(zhuǎn)磁場，他們不能直接耦合，需經(jīng)過特殊轉(zhuǎn)子的調(diào)制后間接耦合，轉(zhuǎn)子應(yīng)能實(shí)現(xiàn)極對數(shù)自動轉(zhuǎn)換的作用，自動轉(zhuǎn)換能力越高越好，判斷轉(zhuǎn)子自動轉(zhuǎn)換能力的高低，取決于對應(yīng)定子兩個極對數(shù)諧波磁場的含量，其含量越高，自動轉(zhuǎn)換的能力就越好，而其余諧波磁場越少越好。

圖2 無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)

2 普通凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

對6 kW BDFM主要尺寸進(jìn)行計算，得到了具體的結(jié)構(gòu)尺寸。定子外徑260 mm，定子內(nèi)徑 170 mm，鐵心軸向長度156 mm，最小氣隙長度0.5 mm，最大氣隙長度0.75 mm。初步設(shè)定普通凸極轉(zhuǎn)子尺寸：D1=15 mm，D2=84.5 mm，a=9 mm，b=10 mm，h1=7 mm，h=60 mm，w=55 mm，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 普通凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

在Ansoft中完成普通凸極轉(zhuǎn)子BDFM模型建立,然后經(jīng)過有限元計算，圖4為得到的普通凸極轉(zhuǎn)子BDFM氣隙磁通諧波含量圖。

從圖4(a)可以看出，功率被激勵，不僅3次基波磁通被包含在氣隙磁通中，也擁有不少極對數(shù)為1次的諧波磁通，其幅值為22.4%。由圖4(b)得知，只勵磁控制側(cè)，不僅1次基波磁通被包含在氣隙磁通中，也擁有不少極對數(shù)為3次的諧波磁通，其幅值為31.1%。可以看出，在普通凸極轉(zhuǎn)子的調(diào)制作用下，不管是極對數(shù)為3的功率繞組單獨(dú)勵磁，還是極對數(shù)為1的控制繞組單獨(dú)勵磁，都會產(chǎn)生很多與之對應(yīng)的3次和1次有效諧波磁通，在特殊轉(zhuǎn)子的調(diào)制作用下，功率和控制繞產(chǎn)生了間接的耦合，機(jī)電能量轉(zhuǎn)換得以完成。

(a) 功率繞組單獨(dú)勵磁

(b) 控制繞組單獨(dú)勵磁

2.1 凸極長度優(yōu)化設(shè)計

本文把凸極長度h從30～60 mm每次間隔5 mm依次遞增，即建立了多個凸極長度的凸極轉(zhuǎn)子BDFM模型。然后經(jīng)過Ansoft有限元計算，得出控制和功率繞組各自單獨(dú)勵磁時不同凸極長度凸極轉(zhuǎn)子BDFM的各次氣隙磁通諧波含量，如表1所示。

表1 不同凸極長度對凸極轉(zhuǎn)子耦合能力的影響

由表1可以看出，當(dāng)功率繞組單獨(dú)勵磁時，凸極長度從30 mm變化到50 mm，有效諧波幅值占基波幅值的百分比成遞增趨勢，從50 mm變化到60 mm，有效諧波幅值占基波幅值的百分比遞減；當(dāng)控制繞組單獨(dú)勵磁時，凸極長度從30 mm變化到45 mm，有效諧波幅值占基波幅值的百分比成遞增趨勢；從45～60 mm，有效諧波幅值占基波幅值的比率逐步降低。即對于不同凸極長度，不論是功率繞組還是控制繞組各自勵磁時，隨著凸極長度的增加，轉(zhuǎn)子磁耦合能力呈現(xiàn)先提高后下降的趨勢，但有效諧波幅值占基波幅值量總體變化趨勢很小，也就是說普通凸極轉(zhuǎn)子的凸極長度與耦合能力基本聯(lián)系很小。凸極長度選為h=50 mm。

2.2 凸極寬度優(yōu)化設(shè)計

把凸極寬度w從20～70 mm每次間隔5 mm依次遞增, 得到凸極寬度影響普通凸極轉(zhuǎn)子耦合能力的數(shù)據(jù)，如表2所示。

由表2可以看出，凸極寬度越小，凸極轉(zhuǎn)子的耦合能力越好。凸極寬度從20 mm遞增到35 mm，有效諧波占基波的百分比依次降低且幅度很大，雖然這個范圍內(nèi)有效諧波含量較高，但是此范圍的凸極寬度較小，磁路較窄，這樣會使轉(zhuǎn)子的磁通過于密集，導(dǎo)致無用的高次諧波比重加大，使BDFM的性能變差。而60～70 mm的凸極寬度產(chǎn)生的有效諧波幅值占基波幅值的百分比又較低，所以最好選擇凸極寬度為40～55 mm的凸極轉(zhuǎn)子，此范圍內(nèi)有效諧波含量變化幅度較小，而且考慮到要在凸極上增加深槽，深槽會占用一部分磁路，因此，本文選取的凸極寬度w=50 mm。

表2 不同凸極寬度對凸極轉(zhuǎn)子耦合能力的影響

由圖5可以看出，只有功率繞組勵磁時，有效的1次諧波磁通含量從22.4%增加到25%；只有控制繞組勵磁時，有效的3次諧波磁通含量從31.1%增加到37.5%，所以，優(yōu)化后的普通凸極轉(zhuǎn)子BDFM具有更好的磁耦合能力。

(a) 功率繞組勵磁

(b) 控制繞組勵磁

3 深槽式凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

雖然經(jīng)過優(yōu)化后的普通凸極轉(zhuǎn)子BDFM的有效諧波含量有所提高，但整體含量還是偏低，這是由于磁通在凸極轉(zhuǎn)子上的流通方向不規(guī)則，如果讓磁通流通路徑按照設(shè)定的路徑流通，則將會提高其磁場調(diào)制能力。為了實(shí)現(xiàn)上述效果，本文把具有較好磁耦合能力的磁障式磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計靈感移植到普通凸極轉(zhuǎn)子，在其技術(shù)啟示下，在凸極轉(zhuǎn)子的凸極處開割深槽，即深槽式凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，深槽不導(dǎo)磁，開pr個深槽，由于深槽高磁阻率的阻礙作用，諧波磁通路徑被限制成pr個，減少了非相鄰?fù)箻O間的磁通流量，這樣可以增加有用諧波百分比含量，同時也會減少無用諧波百分比含量。

控制繞組極對數(shù)pc=1，功率繞組極對數(shù)pp=3，以及轉(zhuǎn)子極數(shù)pr=4，即凸極上需要增加4個深槽，得到的深槽式凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6中，c表示深槽寬度；d表示深槽底部與轉(zhuǎn)軸頂部之間的距離。

圖6 深槽式凸極轉(zhuǎn)子

3.1 深槽寬度優(yōu)化設(shè)計

深槽不導(dǎo)磁，磁阻率大，能夠設(shè)定諧波磁通流通軌跡，但是深槽太寬，磁路利用率會降低，容易飽和且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會下降；而深槽太窄，其限制諧波磁通路徑的效果又會變差。本文把深槽寬度c從0.5～5 mm每次間隔0.5 mm依次遞增，得到深槽寬度影響深槽式凸極轉(zhuǎn)子耦合能力的數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 不同深槽寬度對深槽式凸極轉(zhuǎn)子耦合能力影響

由表3可看出，深槽寬度越大，深槽式凸極轉(zhuǎn)子的耦合能力越好。當(dāng)功率繞組單獨(dú)勵磁時，深槽寬度從0.5 mm變化到4 mm，控制繞組諧波幅值占基波的百分比逐漸增加并且增長幅度較大；深槽寬度從4 mm變化到5 mm，控制繞組諧波幅值占基波的百分比也在不斷增加但增長幅度較小；當(dāng)控制繞組單獨(dú)勵磁時，深槽寬度從0.5 mm變化到3.5 mm，功率繞組諧波幅值占基波的百分比逐漸增加并且增長幅度較大；深槽寬度從3.5 mm變化到5 mm，功率繞組諧波幅值占基波的百分比也在不斷增加但增長幅度較小。考慮到深槽寬度的加大會使凸極磁路的截面積變小，凸極磁通密度會相應(yīng)變大，所以深槽寬度若太大會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁密過大而使磁路飽和，再加上轉(zhuǎn)子寬度增加到3.5～4 mm后再往上增加尺寸其有效諧波含量增長量又較小，所以，本文選取的深槽寬度c=4 mm。

3.2 深槽深度優(yōu)化設(shè)計

把深槽深度d從0～20 mm每次間隔2 mm依次遞增，得到深槽深度影響深槽式凸極轉(zhuǎn)子耦合能力的數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 不同深槽深度對深槽式凸極轉(zhuǎn)子耦合能力影響

從表4可看出，當(dāng)只有功率繞組勵磁或者只有控制繞組勵磁時，隨著加大深槽底部到轉(zhuǎn)軸頂部的長度，有用諧波量占基波量的比重在降低，即轉(zhuǎn)子的耦合作用變?nèi)酰f明深槽底部與轉(zhuǎn)軸頂部之間的距離越小越好，最理想的情況是凸極中間的深槽直通轉(zhuǎn)軸。但是若直通轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會變差，考慮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)子耦合能力，選取深槽深度d=4 mm。

圖7是采用有限元分析得到的優(yōu)化后的深槽式凸極轉(zhuǎn)子BDFM磁力線分布圖。

(a) 功率繞組勵磁

(b) 控制繞組勵磁

(c) 控制繞組和功率繞組同時勵磁

對比圖7深槽式凸極轉(zhuǎn)子和普通凸極轉(zhuǎn)子磁力線分布圖可以看出，在深槽的限制下，單獨(dú)勵磁功率側(cè)和控制側(cè)或者同時勵磁控制側(cè)和功率側(cè)，磁力線流通走向都規(guī)則了許多，有效地減少了無用的諧波磁場，有用的相對增加。

通過對比圖8和圖5可知，凸極轉(zhuǎn)子加深槽后，當(dāng)只有功率繞組勵磁時，有效的1次諧波磁通含量從25%增加到45.7%；當(dāng)只有控制繞組勵磁時，有效的3次諧波磁通含量從37.5%增加到46.2%，而且無效的諧波含量比例也較少。

(a) 功率繞組勵磁

(b) 控制繞組勵磁

經(jīng)過對比分析后可以看出，把普通凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進(jìn)成深槽式凸極轉(zhuǎn)子后，其磁場調(diào)制能力得到很大提高，很大程度上改善了普通凸極轉(zhuǎn)子磁耦合能力弱、電機(jī)功率密度和效率偏低的缺點(diǎn)，改進(jìn)型深槽式凸極轉(zhuǎn)子BDFM同時具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠堅(jiān)固、易于加工、磁耦合能力強(qiáng)、運(yùn)行性能好等優(yōu)勢，較結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易于加工制造的磁障式磁阻轉(zhuǎn)子更具有實(shí)際應(yīng)用價值。

4 深槽內(nèi)嵌入導(dǎo)體條的凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計

借鑒鼠籠轉(zhuǎn)子的設(shè)計技術(shù)，鼠籠導(dǎo)體條內(nèi)置深槽中，鼠籠導(dǎo)體條被沒用諧波磁場流經(jīng)時，電勢將被感生在導(dǎo)條中，因?yàn)槎搪穼?dǎo)條阻抗很小，所以會產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流，進(jìn)而感應(yīng)出反向磁通阻礙無效諧波磁場的通過，使轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制能力得到進(jìn)一步提高。經(jīng)過一系列有限元計算，得到了深槽加導(dǎo)條式凸極轉(zhuǎn)子BDFM磁力線分布圖如圖9所示。

(a) 功率繞組勵磁

(b) 控制繞組勵磁

(c) 控制繞組和功率繞組同時勵磁

對比圖9和圖7可以看出，在短路導(dǎo)條的限制下，單獨(dú)勵磁功率側(cè)和控制側(cè)或者同時勵磁控制側(cè)和功率側(cè)，磁力線流通走向都規(guī)則了更多，進(jìn)一步有效地減少了無用的諧波磁場，有用的相對增加。

通過對比圖10 和圖8可知，深槽式凸極轉(zhuǎn)子加短路導(dǎo)條后，當(dāng)只有功率繞組勵磁時，有效的1次諧波磁通含量從45.7%增加到58.5%，其他無效次諧波含量有所減少；當(dāng)只有控制繞組勵磁時，有效的3次諧波磁通含量從46.2%增加到60.3%，其他無效次諧波含量比例也大大降低。

(a) 功率繞組勵磁

(b) 控制繞組勵磁

在深槽式凸極轉(zhuǎn)子深槽內(nèi)增加短路導(dǎo)條后，轉(zhuǎn)子的磁耦合能力得到顯著的提高，電機(jī)性能更好，但是新增加的短路導(dǎo)條會額外增加轉(zhuǎn)子損耗，增加發(fā)熱量，結(jié)構(gòu)也較深槽式凸極轉(zhuǎn)子復(fù)雜，加工制造難度和成本也會相應(yīng)提高。

5 結(jié) 語

本文對普通凸極轉(zhuǎn)子的凸極長度和寬度尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使該轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制能力有所提高，但電機(jī)磁場路徑不確定，有效諧波含量偏低。結(jié)合磁障式磁阻轉(zhuǎn)子的設(shè)計靈感，在優(yōu)化后的普通凸極轉(zhuǎn)子上增加深槽，并分析了不同的深槽寬度和深度對轉(zhuǎn)子磁場調(diào)制能力的影響，選取了合適的深槽式凸極轉(zhuǎn)子尺寸方案，得出深槽式凸極轉(zhuǎn)子磁耦合能力相對普通凸極轉(zhuǎn)子有了很大的提高，并且結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。最后在深槽式凸極轉(zhuǎn)子的深槽中又增加了短路導(dǎo)條，進(jìn)一步限制了諧波磁場路徑，磁場調(diào)制能力進(jìn)一步加強(qiáng)，但也有發(fā)熱多，制造難度和成本大的缺點(diǎn)。

[1] 龔晟，楊向宇，王芳媛.無刷雙饋電機(jī)起源、發(fā)展及原理綜述[J].微電機(jī)，2010，43(8)：79-82.

[2] 鄧先明.無刷雙饋電機(jī)的電磁分析與設(shè)計應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] XU L.Analysis of a doubly-excited brushless reluctance machine by finite element method[C]//IEEE Industry Application Society Annual Meeting，1992：171-177.