徑向疊片磁阻轉(zhuǎn)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(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(zhuǎn)矩性能曲線，得到了實現(xiàn)****電磁轉(zhuǎn)矩控制的相位角關(guān)系和氣隙磁密分布，為電機的優(yōu)化設(shè)計和****控制提供了理論指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：無刷雙饋電機；有限元；Ansoft；電磁場；徑向疊片；磁阻轉(zhuǎn)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(fēng)能的開發(fā)利用已經(jīng)成為世界各國研究的熱點。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(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，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子上沒有電刷和滑環(huán)，實現(xiàn)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(diào)節(jié)電機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(zhuǎn)矩特性曲線以及產(chǎn)生****電磁轉(zhuǎn)矩的條件，為電機的優(yōu)化設(shè)計和實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)制定子磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁通，從而實現(xiàn)機電能量轉(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[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)電機相同。因此該
轉(zhuǎn)子能減小渦流損耗，可提高電機效率。
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f 1和f 2的三相對稱正弦交流電流時，在氣隙中將產(chǎn)生兩個旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速分別為ω1m=  墜的磁動勢波，當(dāng)電機轉(zhuǎn)子極數(shù)pr滿足Pr=P+q的約束、且電機轉(zhuǎn)速ωr與兩定子繞組電流頻率f 1,f 2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)電流相序相同時取“+”，當(dāng)相序相反時取“一”。
在p和q對極繞組產(chǎn)生的速度感應(yīng)電動勢頻率與各自繞組的電流頻率相同，才能在電機內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換[2]。
BDFM有多種運行方式：電機的功率繞組直接連接到電網(wǎng)，若控制繞組加直流勵磁(f 2=0)，則電機運行在同步狀態(tài)，同步轉(zhuǎn)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(diào)逮運行方式，當(dāng)控制繞組與功率繞組相序相反時，轉(zhuǎn)速  小于同步轉(zhuǎn)速，電機運行在亞同步狀態(tài)；當(dāng)控制繞組與功率繞組相序相同時，轉(zhuǎn)速  大于同步轉(zhuǎn)速，電機運行在超同步狀態(tài)。
從式(1)可知，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速ωr變化時，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，實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電運行。同時，當(dāng)電機運行于電動狀態(tài)時，可通過調(diào)節(jié)控制繞組的電流頻率f2，實現(xiàn)電機的變速驅(qū)動。
2 BDFM建模
電機主要參數(shù)如表1所示，在Anson軟件中建立電機的Maxwell一2D模型。由于BDFM內(nèi)部磁場的不對稱性[1]，必須選擇整個電機截面作為求解區(qū)域。
為了計算方便和分析簡化，需對電機模型作如下假設(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)不考慮電機鐵心部分磁損耗。
電機模型的剖分結(jié)果如圖3所示。
3電機負載運行
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，就會在另一套繞組(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，在計算電機的電磁轉(zhuǎn)矩時，為計算方便，把電機轉(zhuǎn)速設(shè)為同步轉(zhuǎn)速。
3．2轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為600 r／min保持BDFM轉(zhuǎn)速不變，電機處于負載運行狀態(tài)。改變通入功率繞組電流的初始相位角α，每10。求解一次電機穩(wěn)定時的電磁轉(zhuǎn)矩，繪制出電機的電磁轉(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。
電機的正負****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，電機達正負****轉(zhuǎn)矩時的功率因數(shù)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(yīng)電勢與負載時感應(yīng)相電壓之間夾角來確定[4]。因為BDFM存在附加電磁轉(zhuǎn)矩，使得電機****電磁轉(zhuǎn)矩時的功角δ在45。～90。之間。BDFM正負****轉(zhuǎn)矩處功率繞組負載電壓及空載電壓曲線如圖5所示。正****轉(zhuǎn)矩時，BDFM的功角6為68.4。；負****轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guī)電機與轉(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�？刂评@組的直流勵磁使轉(zhuǎn)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(yīng)分解出所需要基波或諧波幅值，再進行相關(guān)參數(shù)的計算。
4結(jié)論
本文應(yīng)用有限元分析方法，利用Ansoft軟件對BDFM電磁場進行計算。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，實現(xiàn)機電能量的轉(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)；電機達到****轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子BDFM的有限元分析，為BDFM的優(yōu)化設(shè)計及電機控制提供了理論依據(jù)。
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