径向叠片磁阻转子无刷双馈电机有限元分析

张千，刘慧娟，赵铮

(北京交通大学，北京100044)

    摘要：利用 ansoft软件，对新型径向叠片磁阻转子的无刷双馈电机的电磁场进行了有限元计算，计算出了电机同步运行时的电磁转矩性能曲线，得到了实现****电磁转矩控制的相位角关系和气隙磁密分布，为电机的优化设计和****控制提供了理论指导。

    关键词：无刷双馈电机；有限元；ansoft；电磁场；径向叠片；磁阻转子

    中图分类号：tm343  文献标识码：a  文章编号：1004—7018(2010)01—0018—03

0引言  

    风能的开发利用已经成为世界各国研究的热点。变速恒频的风力发电系统作为一种高效的风电能量转换系统，得到了广泛应用。无刷双馈电机(以下简称bdfm)是一种适合变速恒频发电系统的新型交流电机，其系统结构简单，转子上没有电刷和滑环，实现了无刷化，电机具有较高的可靠性，并且在运行过程中能灵活地调节电机的有功功率和无功功率。

    bdfm常用的转子有磁阻型转子和笼型转子两大类，国外已有很多学者对两种转子结构的bdfm进行过相关研究，国内对笼型转子的bdfm有不少研究，对磁阻转子的bdfm则研究得较少。本文以一种4／6极、新型径向叠片磁阻转子结构的bdfm为例，利用ansofl软件对实际样机进行建模，将电机磁路的非线性用实际材料的b—h曲线考虑，计算了电机的磁场分布，电机的电磁转矩特性曲线以及产生****电磁转矩的条件，为电机的优化设计和实际控制提供了理论指导。

1  bdfm基本原理

    bdfm的结构示意图如图1所示。定子上有两套正弦分布交流绕组，其中一套绕组的极对数为p，与电网相连接，常称为功率绕组；另一套绕组的极对数为g，经过取向整流逆变器连接到电网，常称为控制绕组。

    磁阻转子的作用是调制定子磁动势产生的气隙磁通，从而实现机电能量转换。本文所采用的磁阻转子是由薄硅钢片径向叠片构成，称为径向叠片的磁阻转子，图2为转子冲片示意图。该转子结构不同于文献[1]的轴向叠片磁阻转子(简称为ala磁阻转子)，与ala磁阻转子相比，其制作工艺相对简单，由于硅钢片的叠压方式与传统电机相同。因此该

转子能减小涡流损耗，可提高电机效率。

    当在功率绕组(p对极)和控制绕组(q对极)中分别通入频率为f₁和f₂的三相对称正弦交流电流时，在气隙中将产生两个旋转转速分别为ω1m=坠的磁动势波，当电机转子极数pr满足pr=p+q的约束、且电机转速ωr与两定子绕组电流频率f_1,f₂满足下式的约束条件：

式中，当功率绕组(p对极)和控制绕组(q对极)电流相序相同时取“+”，当相序相反时取“一”。

    在p和q对极绕组产生的速度感应电动势频率与各自绕组的电流频率相同，才能在电机内部产生稳定的电磁转矩，从而实现机电能量的转换^[2]。

    bdfm有多种运行方式：电机的功率绕组直接连接到电网，若控制绕组加直流励磁(f₂=0)，则电机运行在同步状态，同步转速为图若电机的控制绕组由变频电源供电时，即bdfm的双馈调逮运行方式，当控制绕组与功率绕组相序相反时，转速小于同步转速，电机运行在亚同步状态；当控制绕组与功率绕组相序相同时，转速

大于同步转速，电机运行在超同步状态。

    从式(1)可知，当电机转速ωr变化时，可以通过调节控制绕组(q对极)的电流频率f₂，使功率绕组的频率保持为工不变，实现变速恒频发电运行。同时，当电机运行于电动状态时，可通过调节控制绕组的电流频率f₂，实现电机的变速驱动。

2 bdfm建模