徑向疊片磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)有限元分析

張千，劉慧娟，趙錚

(北京交通大學(xué)，北京100044)

    摘要：利用 ansoft軟件，對(duì)新型徑向疊片磁阻轉(zhuǎn)子的無刷雙饋電機(jī)的電磁場(chǎng)進(jìn)行了有限元計(jì)算，計(jì)算出了電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩性能曲線，得到了實(shí)現(xiàn)****電磁轉(zhuǎn)矩控制的相位角關(guān)系和氣隙磁密分布，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和****控制提供了理論指導(dǎo)。

    關(guān)鍵詞：無刷雙饋電機(jī)；有限元；ansoft；電磁場(chǎng)；徑向疊片；磁阻轉(zhuǎn)子

    中圖分類號(hào)：tm343  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a  文章編號(hào)：1004—7018(2010)01—0018—03

0引言  

    風(fēng)能的開發(fā)利用已經(jīng)成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為一種高效的風(fēng)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，得到了廣泛應(yīng)用。無刷雙饋電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱bdfm)是一種適合變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的新型交流電機(jī)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子上沒有電刷和滑環(huán)，實(shí)現(xiàn)了無刷化，電機(jī)具有較高的可靠性，并且在運(yùn)行過程中能靈活地調(diào)節(jié)電機(jī)的有功功率和無功功率。

    bdfm常用的轉(zhuǎn)子有磁阻型轉(zhuǎn)子和籠型轉(zhuǎn)子兩大類，國(guó)外已有很多學(xué)者對(duì)兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的bdfm進(jìn)行過相關(guān)研究，國(guó)內(nèi)對(duì)籠型轉(zhuǎn)子的bdfm有不少研究，對(duì)磁阻轉(zhuǎn)子的bdfm則研究得較少。本文以一種4／6極、新型徑向疊片磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的bdfm為例，利用ansofl軟件對(duì)實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行建模，將電機(jī)磁路的非線性用實(shí)際材料的b—h曲線考慮，計(jì)算了電機(jī)的磁場(chǎng)分布，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線以及產(chǎn)生****電磁轉(zhuǎn)矩的條件，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際控制提供了理論指導(dǎo)。

1  bdfm基本原理

    bdfm的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。定子上有兩套正弦分布交流繞組，其中一套繞組的極對(duì)數(shù)為p，與電網(wǎng)相連接，常稱為功率繞組；另一套繞組的極對(duì)數(shù)為g，經(jīng)過取向整流逆變器連接到電網(wǎng)，常稱為控制繞組。

    磁阻轉(zhuǎn)子的作用是調(diào)制定子磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁通，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。本文所采用的磁阻轉(zhuǎn)子是由薄硅鋼片徑向疊片構(gòu)成，稱為徑向疊片的磁阻轉(zhuǎn)子，圖2為轉(zhuǎn)子沖片示意圖。該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同于文獻(xiàn)[1]的軸向疊片磁阻轉(zhuǎn)子(簡(jiǎn)稱為ala磁阻轉(zhuǎn)子)，與ala磁阻轉(zhuǎn)子相比，其制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，由于硅鋼片的疊壓方式與傳統(tǒng)電機(jī)相同。因此該

轉(zhuǎn)子能減小渦流損耗，可提高電機(jī)效率。

    當(dāng)在功率繞組(p對(duì)極)和控制繞組(q對(duì)極)中分別通入頻率為f₁和f₂的三相對(duì)稱正弦交流電流時(shí)，在氣隙中將產(chǎn)生兩個(gè)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速分別為ω1m=墜的磁動(dòng)勢(shì)波，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子極數(shù)pr滿足pr=p+q的約束、且電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr與兩定子繞組電流頻率f_1,f₂滿足下式的約束條件：

式中，當(dāng)功率繞組(p對(duì)極)和控制繞組(q對(duì)極)電流相序相同時(shí)取“+”，當(dāng)相序相反時(shí)取“一”。

    在p和q對(duì)極繞組產(chǎn)生的速度感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率與各自繞組的電流頻率相同，才能在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換^[2]。

    bdfm有多種運(yùn)行方式：電機(jī)的功率繞組直接連接到電網(wǎng)，若控制繞組加直流勵(lì)磁(f₂=0)，則電機(jī)運(yùn)行在同步狀態(tài)，同步轉(zhuǎn)速為圖若電機(jī)的控制繞組由變頻電源供電時(shí)，即bdfm的雙饋調(diào)逮運(yùn)行方式，當(dāng)控制繞組與功率繞組相序相反時(shí)，轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)運(yùn)行在亞同步狀態(tài)；當(dāng)控制繞組與功率繞組相序相同時(shí)，轉(zhuǎn)速

大于同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)運(yùn)行在超同步狀態(tài)。

    從式(1)可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr變化時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)控制繞組(q對(duì)極)的電流頻率f₂，使功率繞組的頻率保持為工不變，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電運(yùn)行。同時(shí)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可通過調(diào)節(jié)控制繞組的電流頻率f₂，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速驅(qū)動(dòng)。

2 bdfm建模