籠條對(duì)磁阻轉(zhuǎn)子電勵(lì)磁同步電機(jī)性能影響*

蔣曉東， 王秀平

(1.沈陽理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110159；2.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院,遼寧 沈陽 110136)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中，永磁同步電機(jī)以其高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而在一些特殊環(huán)境，如高溫、高鹽度和高濕度的“三高”環(huán)境下，永磁體容易失磁，由此導(dǎo)致電機(jī)性能急劇下降，造成不可逆的損失[3-5]。另外永磁材料作為國(guó)家重要戰(zhàn)略資源，近幾年其產(chǎn)量受到國(guó)家嚴(yán)格的控制，其價(jià)格不斷上漲，永磁電機(jī)成本隨之不斷增加。因此，研發(fā)在特殊環(huán)境下能夠替代永磁電機(jī)的新型電機(jī)成為時(shí)下迫切的需求[6-8]。

電勵(lì)磁同步電機(jī)因其效率較高、調(diào)節(jié)勵(lì)磁方便等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注[9-11]。然而常規(guī)電勵(lì)磁同步電機(jī)內(nèi)部存在電刷和滑環(huán)裝置，在運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生電火花。為了提高電勵(lì)磁電機(jī)的可靠性，無刷電勵(lì)磁電機(jī)將逐漸替代有刷電勵(lì)磁電機(jī)成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

針對(duì)無刷電勵(lì)磁電機(jī)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。文獻(xiàn)[12]提出了一種新型電勵(lì)磁無刷同步電機(jī)，該電機(jī)取消了傳統(tǒng)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電刷和滑環(huán)，而且不需要單獨(dú)采用勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，通過仿真分析和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所提新型無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。文獻(xiàn)[13]提出了一種新型無刷電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)方案，該發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)是可以在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，同時(shí)采用功率等級(jí)較低的整流器以及電壓等級(jí)較低的功率器件降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。文獻(xiàn)[14]提出了一種磁阻轉(zhuǎn)子定子電勵(lì)磁無刷同步電機(jī)(SEEBSM)，分析了其磁場(chǎng)調(diào)制機(jī)理，利用有限元方法得到了該電機(jī)在空載和負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁特性。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析籠條對(duì)磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM性能的影響。分別闡述了帶籠條的磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、籠條排布方式以及運(yùn)行原理，研究了轉(zhuǎn)子添加籠條后對(duì)其電磁性能和溫度的影響，包括轉(zhuǎn)子有、無籠條與不同籠條組合形式對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，籠條對(duì)帶負(fù)載能力的影響，以及籠條對(duì)電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)溫升的影響等。

1 結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

SEEBSM定子鐵心可以直接采用感應(yīng)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，以降低定子沖片的設(shè)計(jì)難度以及加工成本。定子槽內(nèi)嵌套有兩種不同極數(shù)的繞組，即三相電樞繞組和單相勵(lì)磁繞組，其中電樞繞組采用雙層短距繞組，而勵(lì)磁繞組則采用單層等跨距繞組。

當(dāng)SEEBSM穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電樞繞組和勵(lì)磁繞組會(huì)分別在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和一個(gè)靜止的恒定磁場(chǎng)。這兩個(gè)磁場(chǎng)通過帶籠條的磁阻轉(zhuǎn)子進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)之間的耦合，并最終在轉(zhuǎn)子上輸出穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。設(shè)電樞繞組極對(duì)數(shù)為pp，勵(lì)磁繞組極對(duì)數(shù)為pL，該電機(jī)等效極對(duì)數(shù)p為pp+pL，同步轉(zhuǎn)速n1可以表示為

(1)

式中：f1為電網(wǎng)供電頻率。

帶籠條的磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM二維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其中籠條包括公共籠條和短接籠條，排布方式如圖2所示。SEEBSM運(yùn)行方式接線示意圖如圖3所示。

圖1 SEEBSM結(jié)構(gòu)模型

圖2 籠條在轉(zhuǎn)子中的排布方式

圖3 SEEBSM運(yùn)行方式接線示意圖

由圖3可知，當(dāng)S1開關(guān)閉合時(shí)，勵(lì)磁繞組與起動(dòng)電阻R連接，SEEBSM起動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，斷開S1開關(guān)，閉合S2開關(guān)，由勵(lì)磁控制器給勵(lì)磁繞組提供直流電，SEEBSM隨后進(jìn)入同步運(yùn)行階段，此時(shí)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。

2 籠條對(duì)SEEBSM電磁性能的影響

本文采用有限元方法對(duì)圖1所示的帶籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM的電磁性能進(jìn)行仿真研究，主要參數(shù)如表1所示。有、無籠條結(jié)構(gòu)下的磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM異步起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化如圖4所示。

表1 主要參數(shù)

圖4 磁阻轉(zhuǎn)子有、無籠條下轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

由圖4可知，在磁阻轉(zhuǎn)子中添加籠條后，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化顯著，說明籠條可以改善SEEBSM的起動(dòng)性能，使該電機(jī)在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入異步運(yùn)行階段。另外，短接籠條對(duì)磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM起動(dòng)性能的影響效果優(yōu)于公共籠條。在保證公共籠條不變的前提下，短接籠條數(shù)量對(duì)SEEBSM轉(zhuǎn)速的影響如圖5所示。

圖5 公共籠條+短接籠條不同組合下的轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖5可知，短接籠條層數(shù)越多，SEEBSM進(jìn)入異步運(yùn)行階段的時(shí)間越短。當(dāng)短接籠條層數(shù)為3層時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行后的轉(zhuǎn)速更接近同步運(yùn)行轉(zhuǎn)速，說明短接籠條的層數(shù)越多，SEEBSM進(jìn)入同步運(yùn)行的能力越強(qiáng)。

當(dāng)磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM穩(wěn)定運(yùn)行于同步階段后，分別給有籠條SEEBSM和無籠條SEEBSM加50 N·m負(fù)載，在保證給各自提供相同的勵(lì)磁電源的情況下，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化如圖6所示。

圖6 50 N·m負(fù)載下籠條對(duì)轉(zhuǎn)速變化影響對(duì)比

由圖6可知，在相同勵(lì)磁情況下，有籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM在5 s時(shí)刻加50 N·m負(fù)載后，轉(zhuǎn)速可經(jīng)過較短時(shí)間逐漸恢復(fù)到同步轉(zhuǎn)速。無籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM在8 s時(shí)刻加50 N·m負(fù)載后，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)而后逐漸失步。當(dāng)提高勵(lì)磁電流后，無籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM在加50 N·m負(fù)載后，轉(zhuǎn)速波動(dòng)一段時(shí)間后逐漸穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果說明籠條能夠提高SEEBSM的帶負(fù)載能力，或者說要保持相同的帶負(fù)載能力，需要提供更大的勵(lì)磁電流。

綜合上述仿真結(jié)果可知，在磁阻轉(zhuǎn)子中添加籠條可以明顯改善SEEBSM的起動(dòng)性能和帶負(fù)載能力，這是因?yàn)閷⒒\條與磁阻轉(zhuǎn)子單獨(dú)分析，SEEBSM轉(zhuǎn)子可以等效為“磁阻轉(zhuǎn)子+籠型轉(zhuǎn)子”形式。理想籠型轉(zhuǎn)子等效氣隙比磁導(dǎo)函數(shù)與理想磁阻轉(zhuǎn)子等效氣隙比磁導(dǎo)函數(shù)基本相同，說明兩種結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)子對(duì)定子繞組磁動(dòng)勢(shì)具有類似的調(diào)制作用。因此，在磁阻轉(zhuǎn)子內(nèi)添加籠條可認(rèn)為是在磁阻轉(zhuǎn)子調(diào)制能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子的調(diào)制能力，從而使電機(jī)電磁性能得到明顯改善。

有籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM勵(lì)磁繞組和電樞繞組電流隨時(shí)間的變化如圖7所示。由圖7可知，在5 s時(shí)刻突加50 N·m負(fù)載，勵(lì)磁繞組電流激增至8.99 A，經(jīng)過0.4 s后穩(wěn)定在5.41 A左右。電樞繞組電流在加負(fù)載前后幅值變化不顯著，加負(fù)載后最終穩(wěn)定在12.7 A。電機(jī)起動(dòng)及加載過程中轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化如圖8所示。

圖7 50 N·m負(fù)載下繞組電流隨時(shí)間變化曲線

圖8 50 N·m負(fù)載下轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

由圖8可知，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，瞬時(shí)峰值達(dá)到430 N·m，隨著轉(zhuǎn)速不斷上升，轉(zhuǎn)矩逐漸趨于平穩(wěn)。在5 s時(shí)刻突加50 N·m負(fù)載，轉(zhuǎn)矩瞬間增大，轉(zhuǎn)速波動(dòng)一段時(shí)間后，恢復(fù)同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩最終穩(wěn)定在50 N·m左右。負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行的磁場(chǎng)分布如圖9所示。由圖9可知，該電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行后磁力線為6極分布，與其等效極對(duì)數(shù)一致，且漏磁較少。另外磁密最大值為1.8 T左右，材料利用率較高。

圖9 負(fù)載運(yùn)行時(shí)SEEBSM磁場(chǎng)分布云圖

3 籠條對(duì)SEEBSM溫升的影響

為了研究籠條對(duì)磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)溫升的影響，采用有限元方法對(duì)該電機(jī)額定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)周向?qū)ΨQ，為了縮短仿真時(shí)間，建立1/6整機(jī)模型作為求解區(qū)域，如圖10所示。其中圖10(a)為無籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM求解區(qū)域，圖10(b)為有籠條磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM求解區(qū)域。為了計(jì)算方便，做如下假設(shè)：

(1) 將定子槽內(nèi)所有絕緣等效為一個(gè)絕緣實(shí)體結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)等效導(dǎo)熱系數(shù)；

(2) 電機(jī)浸漬漆填充均勻、定子繞組絕緣漆分布均勻、定子槽絕緣與定子鐵心之間緊密接觸無間隙；

(3) 電樞繞組和勵(lì)磁繞組端部伸出部分長(zhǎng)度用等效直線的伸出長(zhǎng)度表示；

(4) 忽略對(duì)仿真結(jié)果影響不大卻影響網(wǎng)格剖分精度的零部件，如螺栓、螺母、螺釘和墊圈等。

圖10 溫度場(chǎng)求解模型

由于將定子槽內(nèi)各種絕緣等效為一個(gè)絕緣實(shí)體，因此根據(jù)絕緣等級(jí)和試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定等效繞組絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)[15]，SEEBSM各結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。

表2 主要材料導(dǎo)熱系數(shù) W·(m·K)-1

另外，機(jī)殼表面對(duì)流散熱系數(shù)ɑfr為[15]

(2)

式中：Vx為平均風(fēng)速。

損耗作為熱源將直接影響電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫升，采用有限元方法分別對(duì)磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM在有、無籠條下的損耗進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。其中，定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗、定子槽內(nèi)繞組損耗以及轉(zhuǎn)子籠條銅耗均可通過有限元仿真得到。雜散損耗根據(jù)文獻(xiàn)[16]近似按2.9%的額定功率選取。機(jī)械損耗為軸承摩擦損耗，可采用下式計(jì)算[17]：

(3)

式中：F為軸承載荷；v為滾動(dòng)軸承滾珠中心圓周速度；d為滾珠中心直徑。

表3 SEEBSM損耗 W

兩種磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM主要結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布如圖11所示。另外，主要結(jié)構(gòu)最高溫升對(duì)比結(jié)果如表4所示，環(huán)境溫度為25 ℃。

圖11 主要結(jié)構(gòu)溫度分布

由表4可知，帶籠條后磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM各主要結(jié)構(gòu)溫升均有不同程度的增大。其中定子最高溫升增大了31.5%，轉(zhuǎn)子最高溫升增大了32.0%，電樞繞組和勵(lì)磁繞組最高溫升分別增大了25.3%和19.5%。綜上所述，在磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM中添加籠條會(huì)導(dǎo)致電機(jī)主要結(jié)構(gòu)溫升明顯增大，但是該電機(jī)采用F級(jí)絕緣等級(jí)，因此絕緣材料并不會(huì)因溫升的增大而損壞。

表4 各結(jié)構(gòu)最高溫升對(duì)比 ℃

4 結(jié) 語

本文研究了籠條結(jié)構(gòu)對(duì)磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM電磁性能以及溫度的影響。通過分析可知，在磁阻轉(zhuǎn)子中添加籠條可以明顯改善電機(jī)的起動(dòng)性能，且短接籠條對(duì)起動(dòng)性能的影響效果要優(yōu)于公共籠條，短接籠條層數(shù)越多對(duì)電機(jī)牽入同步越有利。在磁阻轉(zhuǎn)子中添加籠條可以提高SEEBSM的帶負(fù)載能力，然而其會(huì)使該類電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)主要結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫升增大19.5%～32%。本文的研究成果可以提高磁阻轉(zhuǎn)子SEEBSM的電磁性能，為后續(xù)樣機(jī)的研制提供支撐。