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

    电机主要参数如表1所示，在Anson软件中建立电机的Maxwell一2D模型。由于BDFM内部磁场的不对称性^[1]，必须选择整个电机截面作为求解区域。

    为了计算方便和分析简化，需对电机模型作如下假设[3]：

    (1)忽略BDtrM的端部效应；

    (2)定子绕组放在槽内，通入三相对称电流，磁场沿轴向均匀分布，无其他方向分量；

    (3)铁心冲片材料各向相同，具有单值B一H曲线；

    (4)忽略BDFM的外部磁场，即求解区域外磁为零；

    (5)不考虑电机铁心部分磁损耗。

    电机模型的剖分结果如图3所示。

3电机负载运行

3．1转矩公式

    当一套定子绕组(如q绕组)中加上直流或交流电流，转子旋转时，就会在另一套绕组(p绕组)中产生一定频率的速度感应电势。如果在另一套绕组(p绕组)中通人与速度感应电势频率相同的电流，就会产生稳定的电磁转矩。转矩为：

式中：E_p,E_q 为速度感应电势I_p,I_q为相电流；φ为速度感应电势与相电流夹角；ωr为转子转速；λ_mp,λ_mq为给定相电流时的互感磁链，满足将式(1)代入式(2)得：

    式(3)是BDFM的基本电磁转矩公式。由式(3)可知，BDFM的电磁转矩与通人定子绕组的电流频率及磁阻转子的转速无关。因此，在计算电机的电磁转矩时，为计算方便，把电机转速设为同步转速。

3．2转矩计算

    控制绕组以“两并一串”方式连接，通入直流电流(5．68 A，2．84 A，一2.84 A)，功率绕组通人50Hz、幅值为5.68 A三相正弦对称电流：

    由式(1)可知，BDFM的同步转速为600 r／min保持BDFM转速不变，电机处于负载运行状态。改变通入功率绕组电流的初始相位角α，每10。求解一次电机稳定时的电磁转矩，绘制出电机的电磁转矩随功率绕组初始电流相位α变化曲线，如图4所示。图中的电机总电磁转矩包括基本电磁转矩和附加电磁转矩。附加电磁转矩是由BDFM具有特殊转子的结构、交直轴磁阻不相等而产生的。

    电机的正负****电磁转矩分别为13．99 N·m和一14 02 N.m。由于附加电磁转矩的存在，电机达正负****转矩时的功率因数角φ偏离±90^。。

3．3功角

    功角特性是电机的基本特性之一，功角δ可以通过空载速度感应电势与负载时感应相电压之间夹角来确定^[4]。因为BDFM存在附加电磁转矩，使得电机****电磁转矩时的功角δ在45^。～90^。之间。BDFM正负****转矩处功率绕组负载电压及空载电压曲线如图5所示。正****转矩时，BDFM的功角6为68.4。；负****转矩时，功角δ为-75．6^。。其中，电压波形中包含了所有的谐波分量。

3．4磁密分布

    正负****转矩时气隙磁通密度幅值的分布如图6、图7所示，气隙磁通密度的幅值与常规电机与转子结构相关，在气隙小的转子位置，气隙磁通密度幅值大。不同的功率绕组电流的初始相位造成气隙磁通密度在相同转子位置的幅值不相等。控制绕组的直流励磁使转子每个极下的磁密幅值不对称分布。由于存在漏磁场和谐波磁场，气隙磁通密度的分布不是正弦的。为避免较大误差，应分解出所需要基波或谐波幅值，再进行相关参数的计算。

4结论

    本文应用有限元分析方法，利用Ansoft软件对BDFM电磁场进行计算。得出如下结论：

    (1)感应电势与通入该绕组同频率电流相互作用，能够产生稳定的电磁转矩，实现机电能量的转换。

    (2)基本电磁转矩与通人电流频率及转子转速无关；****转矩与功率绕组所加电流的初始相位角度有关；电机达到****转矩时的功角会偏离90。；可以通过控制电机的功角使电机达到****转矩；电机的气隙磁通密度分布具有不对称性。

    通过对新型磁阻转子BDFM的有限元分析，为BDFM的优化设计及电机控制提供了理论依据。