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，對新型徑向疊片磁阻轉(zhuǎn)子的無刷雙饋電機(jī)的電磁場進(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；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，國外已有很多學(xué)者對兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的BDFM進(jìn)行過相關(guān)研究，國內(nèi)對籠型轉(zhuǎn)子的BDFM有不少研究，對磁阻轉(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(簡稱為ALA磁阻轉(zhuǎn)子)，與ALA磁阻轉(zhuǎn)子相比，其制作工藝相對簡單，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對極)和控制繞組(q對極)中分別通入頻率為f₁和f₂的三相對稱正弦交流電流時(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對極)和控制繞組(q對極)電流相序相同時(shí)取“+”，當(dāng)相序相反時(shí)取“一”。

    在p和q對極繞組產(chǎn)生的速度感應(yīng)電動(dòng)勢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

    電機(jī)主要參數(shù)如表1所示，在Anson軟件中建立電機(jī)的Maxwell一2D模型。由于BDFM內(nèi)部磁場的不對稱性^[1]，必須選擇整個(gè)電機(jī)截面作為求解區(qū)域。

    為了計(jì)算方便和分析簡化，需對電機(jī)模型作如下假設(shè)[3]：

    (1)忽略BDtrM的端部效應(yīng)；

    (2)定子繞組放在槽內(nèi)，通入三相對稱電流，磁場沿軸向均勻分布，無其他方向分量；

    (3)鐵心沖片材料各向相同，具有單值B一H曲線；

    (4)忽略BDFM的外部磁場，即求解區(qū)域外磁為零；

    (5)不考慮電機(jī)鐵心部分磁損耗。

    電機(jī)模型的剖分結(jié)果如圖3所示。

3電機(jī)負(fù)載運(yùn)行

3．1轉(zhuǎn)矩公式

    當(dāng)一套定子繞組(如q繞組)中加上直流或交流電流，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)在另一套繞組(p繞組)中產(chǎn)生一定頻率的速度感應(yīng)電勢。如果在另一套繞組(p繞組)中通人與速度感應(yīng)電勢頻率相同的電流，就會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩為：

式中：E_p,E_q 為速度感應(yīng)電勢I_p,I_q為相電流；φ為速度感應(yīng)電勢與相電流夾角；ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；λ_mp,λ_mq為給定相電流時(shí)的互感磁鏈，滿足將式(1)代入式(2)得：

    式(3)是BDFM的基本電磁轉(zhuǎn)矩公式。由式(3)可知，BDFM的電磁轉(zhuǎn)矩與通人定子繞組的電流頻率及磁阻轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無關(guān)。因此，在計(jì)算電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，為計(jì)算方便，把電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為同步轉(zhuǎn)速。

3．2轉(zhuǎn)矩計(jì)算

    控制繞組以“兩并一串”方式連接，通入直流電流(5．68 A，2．84 A，一2.84 A)，功率繞組通人50Hz、幅值為5.68 A三相正弦對稱電流：

    由式(1)可知，BDFM的同步轉(zhuǎn)速為600 r／min保持BDFM轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)處于負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。改變通入功率繞組電流的初始相位角α，每10。求解一次電機(jī)穩(wěn)定時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩，繪制出電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨功率繞組初始電流相位α變化曲線，如圖4所示。圖中的電機(jī)總電磁轉(zhuǎn)矩包括基本電磁轉(zhuǎn)矩和附加電磁轉(zhuǎn)矩。附加電磁轉(zhuǎn)矩是由BDFM具有特殊轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、交直軸磁阻不相等而產(chǎn)生的。

    電機(jī)的正負(fù)****電磁轉(zhuǎn)矩分別為13．99 N·m和一14 02 N.m。由于附加電磁轉(zhuǎn)矩的存在，電機(jī)達(dá)正負(fù)****轉(zhuǎn)矩時(shí)的功率因數(shù)角φ偏離±90^。。

3．3功角

    功角特性是電機(jī)的基本特性之一，功角δ可以通過空載速度感應(yīng)電勢與負(fù)載時(shí)感應(yīng)相電壓之間夾角來確定^[4]。因?yàn)锽DFM存在附加電磁轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)****電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)的功角δ在45^。～90^。之間。BDFM正負(fù)****轉(zhuǎn)矩處功率繞組負(fù)載電壓及空載電壓曲線如圖5所示。正****轉(zhuǎn)矩時(shí)，BDFM的功角6為68.4。；負(fù)****轉(zhuǎn)矩時(shí)，功角δ為-75．6^。。其中，電壓波形中包含了所有的諧波分量。

3．4磁密分布

    正負(fù)****轉(zhuǎn)矩時(shí)氣隙磁通密度幅值的分布如圖6、圖7所示，氣隙磁通密度的幅值與常規(guī)電機(jī)與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相關(guān)，在氣隙小的轉(zhuǎn)子位置，氣隙磁通密度幅值大。不同的功率繞組電流的初始相位造成氣隙磁通密度在相同轉(zhuǎn)子位置的幅值不相等。控制繞組的直流勵(lì)磁使轉(zhuǎn)子每個(gè)極下的磁密幅值不對稱分布。由于存在漏磁場和諧波磁場，氣隙磁通密度的分布不是正弦的。為避免較大誤差，應(yīng)分解出所需要基波或諧波幅值，再進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。

4結(jié)論

    本文應(yīng)用有限元分析方法，利用Ansoft軟件對BDFM電磁場進(jìn)行計(jì)算。得出如下結(jié)論：

    (1)感應(yīng)電勢與通入該繞組同頻率電流相互作用，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。

    (2)基本電磁轉(zhuǎn)矩與通人電流頻率及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無關(guān)；****轉(zhuǎn)矩與功率繞組所加電流的初始相位角度有關(guān)；電機(jī)達(dá)到****轉(zhuǎn)矩時(shí)的功角會(huì)偏離90。；可以通過控制電機(jī)的功角使電機(jī)達(dá)到****轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的氣隙磁通密度分布具有不對稱性。

    通過對新型磁阻轉(zhuǎn)子BDFM的有限元分析，為BDFM的優(yōu)化設(shè)計(jì)及電機(jī)控制提供了理論依據(jù)。