徑向疊片磁阻轉子無刷雙饋電機有限元分析

張千，劉慧娟，趙錚

(北京交通大學，北京100044)

    摘要：利用 Ansoft軟件，對新型徑向疊片磁阻轉子的無刷雙饋電機的電磁場進行了有限元計算，計算出了電機同步運行時的電磁轉矩性能曲線，得到了實現****電磁轉矩控制的相位角關系和氣隙磁密分布，為電機的優化設計和****控制提供了理論指導。

    關鍵詞：無刷雙饋電機；有限元；Ansoft；電磁場；徑向疊片；磁阻轉子

    中圖分類號：TM343  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2010)01—0018—03

0引言  

    風能的開發利用已經成為世界各國研究的熱點。變速恒頻的風力發電系統作為一種高效的風電能量轉換系統，得到了廣泛應用。無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)是一種適合變速恒頻發電系統的新型交流電機，其系統結構簡單，轉子上沒有電刷和滑環，實現了無刷化，電機具有較高的可靠性，并且在運行過程中能靈活地調節電機的有功功率和無功功率。

    BDFM常用的轉子有磁阻型轉子和籠型轉子兩大類，國外已有很多學者對兩種轉子結構的BDFM進行過相關研究，國內對籠型轉子的BDFM有不少研究，對磁阻轉子的BDFM則研究得較少。本文以一種4／6極、新型徑向疊片磁阻轉子結構的BDFM為例，利用Ansofl軟件對實際樣機進行建模，將電機磁路的非線性用實際材料的B—H曲線考慮，計算了電機的磁場分布，電機的電磁轉矩特性曲線以及產生****電磁轉矩的條件，為電機的優化設計和實際控制提供了理論指導。

1  BDFM基本原理

    BDFM的結構示意圖如圖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為P，與電網相連接，常稱為功率繞組；另一套繞組的極對數為g，經過取向整流逆變器連接到電網，常稱為控制繞組。

    磁阻轉子的作用是調制定子磁動勢產生的氣隙磁通，從而實現機電能量轉換。本文所采用的磁阻轉子是由薄硅鋼片徑向疊片構成，稱為徑向疊片的磁阻轉子，圖2為轉子沖片示意圖。該轉子結構不同于文獻[1]的軸向疊片磁阻轉子(簡稱為ALA磁阻轉子)，與ALA磁阻轉子相比，其制作工藝相對簡單，由于硅鋼片的疊壓方式與傳統電機相同。因此該

轉子能減小渦流損耗，可提高電機效率。

    當在功率繞組(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，在氣隙中將產生兩個旋轉轉速分別為ω1m=墜的磁動勢波，當電機轉子極數pr滿足Pr=P+q的約束、且電機轉速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，當功率繞組(p對極)和控制繞組(q對極)電流相序相同時取“+”，當相序相反時取“一”。

    在p和q對極繞組產生的速度感應電動勢頻率與各自繞組的電流頻率相同，才能在電機內部產生穩定的電磁轉矩，從而實現機電能量的轉換^[2]。

    BDFM有多種運行方式：電機的功率繞組直接連接到電網，若控制繞組加直流勵磁(f₂=0)，則電機運行在同步狀態，同步轉速為圖若電機的控制繞組由變頻電源供電時，即BDFM的雙饋調逮運行方式，當控制繞組與功率繞組相序相反時，轉速小于同步轉速，電機運行在亞同步狀態；當控制繞組與功率繞組相序相同時，轉速

大于同步轉速，電機運行在超同步狀態。

    從式(1)可知，當電機轉速ωr變化時，可以通過調節控制繞組(q對極)的電流頻率f₂，使功率繞組的頻率保持為工不變，實現變速恒頻發電運行。同時，當電機運行于電動狀態時，可通過調節控制繞組的電流頻率f₂，實現電機的變速驅動。

2 BDFM建模

    電機主要參數如表1所示，在Anson軟件中建立電機的Maxwell一2D模型。由于BDFM內部磁場的不對稱性^[1]，必須選擇整個電機截面作為求解區域。

    為了計算方便和分析簡化，需對電機模型作如下假設[3]：

    (1)忽略BDtrM的端部效應；

    (2)定子繞組放在槽內，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，即求解區域外磁為零；

    (5)不考慮電機鐵心部分磁損耗。

    電機模型的剖分結果如圖3所示。

3電機負載運行

3．1轉矩公式

    當一套定子繞組(如q繞組)中加上直流或交流電流，轉子旋轉時，就會在另一套繞組(p繞組)中產生一定頻率的速度感應電勢。如果在另一套繞組(p繞組)中通人與速度感應電勢頻率相同的電流，就會產生穩定的電磁轉矩。轉矩為：

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

    式(3)是BDFM的基本電磁轉矩公式。由式(3)可知，BDFM的電磁轉矩與通人定子繞組的電流頻率及磁阻轉子的轉速無關。因此，在計算電機的電磁轉矩時，為計算方便，把電機轉速設為同步轉速。

3．2轉矩計算

    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的同步轉速為600 r／min保持BDFM轉速不變，電機處于負載運行狀態。改變通入功率繞組電流的初始相位角α，每10。求解一次電機穩定時的電磁轉矩，繪制出電機的電磁轉矩隨功率繞組初始電流相位α變化曲線，如圖4所示。圖中的電機總電磁轉矩包括基本電磁轉矩和附加電磁轉矩。附加電磁轉矩是由BDFM具有特殊轉子的結構、交直軸磁阻不相等而產生的。

    電機的正負****電磁轉矩分別為13．99 N·m和一14 02 N.m。由于附加電磁轉矩的存在，電機達正負****轉矩時的功率因數角φ偏離±90^。。

3．3功角

    功角特性是電機的基本特性之一，功角δ可以通過空載速度感應電勢與負載時感應相電壓之間夾角來確定^[4]。因為BDFM存在附加電磁轉矩，使得電機****電磁轉矩時的功角δ在45^。～90^。之間。BDFM正負****轉矩處功率繞組負載電壓及空載電壓曲線如圖5所示。正****轉矩時，BDFM的功角6為68.4。；負****轉矩時，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****轉矩時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電機與轉子結構相關，在氣隙小的轉子位置，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子位置的幅值不相等�？刂评@組的直流勵磁使轉子每個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，應分解出所需要基波或諧波幅值，再進行相關參數的計算。

4結論

    本文應用有限元分析方法，利用Ansoft軟件對BDFM電磁場進行計算。得出如下結論：

    (1)感應電勢與通入該繞組同頻率電流相互作用，能夠產生穩定的電磁轉矩，實現機電能量的轉換。

    (2)基本電磁轉矩與通人電流頻率及轉子轉速無關；****轉矩與功率繞組所加電流的初始相位角度有關；電機達到****轉矩時的功角會偏離90。；可以通過控制電機的功角使電機達到****轉矩；電機的氣隙磁通密度分布具有不對稱性。

    通過對新型磁阻轉子BDFM的有限元分析，為BDFM的優化設計及電機控制提供了理論依據。