夏 野，邊 濤，朱景偉

(1.大連海事大學(xué)，大連 116026， 2.國網(wǎng)鐵嶺供電公司， 鐵嶺 112000)

無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子優(yōu)化的最優(yōu)點參數(shù)解耦法

夏 野1，邊 濤2，朱景偉1

(1.大連海事大學(xué)，大連 116026， 2.國網(wǎng)鐵嶺供電公司， 鐵嶺 112000)

摘 要：針對無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計沒有準(zhǔn)確實現(xiàn)的方法，研究了最優(yōu)點參數(shù)解耦法。對凸極磁障式轉(zhuǎn)子進行了優(yōu)化設(shè)計，得出了相應(yīng)凸極磁障式轉(zhuǎn)子對磁場調(diào)制能力最強的參數(shù)組合。通過與圓形片磁障式轉(zhuǎn)子對比，得出了凸極磁障式轉(zhuǎn)子輸出電壓幅值高、但對磁場調(diào)制能力弱的結(jié)論，也間接證明了最優(yōu)點參數(shù)解耦法的可行性與正確性，為無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子的開發(fā)提供了一種現(xiàn)實可行的優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：無刷雙饋電機；優(yōu)化設(shè)計；最優(yōu)點參數(shù)解耦法；凸極磁障式轉(zhuǎn)子

0 引 言

無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)是一種同時具有同步電機和異步電機特點的新型電機，不但和傳統(tǒng)籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機一樣，結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，轉(zhuǎn)子上取消了電刷和滑環(huán)，提高了運行安全性和可靠性，減少了維修成本，而且具有良好的起動和運行特性，能方便地實現(xiàn)異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電等多種運行方式。因此，BDFM在傳統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)，以及風(fēng)力、水力系統(tǒng)的變速恒頻發(fā)電領(lǐng)域前景廣闊，研究BDFM具有重要的理論意義和應(yīng)用價值[1]。

目前對BDFM的優(yōu)化設(shè)計主要集中在對轉(zhuǎn)子的研究上，文獻[2]對凸極式、籠型和圓形片磁障式轉(zhuǎn)子進行了對比分析，得出了圓形片磁障式轉(zhuǎn)子對磁場調(diào)制能力最強，凸極式次之的結(jié)論。文獻[1]對方形片磁障式轉(zhuǎn)子進行了研究，并在其基礎(chǔ)上加入籠條，進一步優(yōu)化了該類轉(zhuǎn)子對磁場的調(diào)制能力。在對BDFM優(yōu)化設(shè)計研究的論文中基本都會出現(xiàn)不同形式轉(zhuǎn)子電機性能的對比分析，但如何在確定轉(zhuǎn)子形式后，獲得該類轉(zhuǎn)子的最優(yōu)物理結(jié)構(gòu)，即獲得對磁場調(diào)制能力最優(yōu)的此類轉(zhuǎn)子，還沒有論文提出過具體方法，而在不同形式轉(zhuǎn)子無法同時達到最優(yōu)性能點的情況下，對它們的性能作橫向?qū)Ρ确治觯贸龅慕Y(jié)論也顯得缺乏說服力，甚至可能會影響B(tài)DFM的整體開發(fā)進度。針對此問題，本文研究了最優(yōu)點參數(shù)解耦法，并結(jié)合優(yōu)化實例，選擇目前還沒有在文獻中被詳細分析過的凸極磁障式轉(zhuǎn)子BDFM進行具體優(yōu)化設(shè)計與研究。

1 BDFM的轉(zhuǎn)子

BDFM定子設(shè)計方法與傳統(tǒng)交流電機區(qū)別不大，改進空間有限,因此，目前BDFM的優(yōu)化設(shè)計主要集中在對轉(zhuǎn)子的研究上。作為重要的“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”，轉(zhuǎn)子對2套定子繞組磁場的調(diào)制能力甚至直接決定著BDFM整體性能的優(yōu)劣。

1.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

BDFM的定子上嵌放有2套彼此獨立的三相繞組，其中一套是極對數(shù)為pp的功率繞組，它直接與電網(wǎng)連接，其頻率fp恒定；另一套是極對數(shù)為pc的控制繞組，由變頻電源供電，其頻率fc可調(diào)。定子功率繞組和控制繞組在理論上沒有直接耦合，而是通過轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制作用來實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換[3 - 4]。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速表達式[1]：

(1)

理論上，在變頻器輸送頻率固定后，電機的轉(zhuǎn)速即可確定，轉(zhuǎn)速控制十分精確。

1.2 常見轉(zhuǎn)子

目前，比較常見的BDFM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，凸極式轉(zhuǎn)子和籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、成本低，但對磁場的調(diào)制效果都比較差，諧波含量高，效率較低；磁障式轉(zhuǎn)子通過限制磁路來實現(xiàn)對磁場的調(diào)制，目前比較常見的形式有圓形片和方形片2種。磁障式轉(zhuǎn)子又可分為軸向疊片式和徑向疊片式，軸向疊片式雖然工藝相對更易實現(xiàn)，但存在較大的渦流損耗；徑向疊片式則克服了這一缺點，且對磁場調(diào)制效果優(yōu)于凸極和籠型轉(zhuǎn)子，是目前最受關(guān)注的一種BDFM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，特別是方形徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子，它可以加入籠條，進一步優(yōu)化了調(diào)制性能。

(a) 凸極式轉(zhuǎn)子

(b) 籠型轉(zhuǎn)子

(c) 圓形片磁障式轉(zhuǎn)子

(d) 方形片磁障式轉(zhuǎn)子

2 最優(yōu)點參數(shù)解耦法

目前，對BDFM各類轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計的方法基本都是先選定轉(zhuǎn)子參數(shù)，并分別對這些參數(shù)進行分析，得出每個參數(shù)的最優(yōu)值，然后將這些最優(yōu)值組合，得出最優(yōu)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。但此過程無法保證各個參數(shù)之間沒有耦合影響，即某一個參數(shù)變化后，另一個參數(shù)的最優(yōu)點是有可能發(fā)生變化的。最優(yōu)點參數(shù)解耦法可以有效地解決這一問題，通過對選定參數(shù)不斷地進行解耦，去除各個參數(shù)之間在最優(yōu)點可能存在的相互影響，最終得出轉(zhuǎn)子的最優(yōu)物理結(jié)構(gòu)，其基本流程如圖2所示。

圖2 最優(yōu)點參數(shù)解耦法流程圖

首先，針對BDFM已經(jīng)確定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)排除干擾、選定關(guān)鍵參數(shù)，選擇這些參數(shù)的基本原則是：

a) 所選的參數(shù)盡可能得少；

b) 所選的參數(shù)盡量在物理結(jié)構(gòu)上不互相干預(yù)；

c) 所選參數(shù)必須能完全限定該轉(zhuǎn)子的物理結(jié)構(gòu)形式，即參數(shù)值全部確定后，轉(zhuǎn)子可以明確地設(shè)計出來。

選擇好參數(shù)后，從中選定任意一個作為1號參數(shù)，在保證其他參數(shù)符合基本工藝要求并完全相同的條件下，對1號參數(shù)設(shè)定不同的分布值，經(jīng)仿真分析得出對磁場調(diào)制能力最強的1號參數(shù)。再選定2號參數(shù)，在1號參數(shù)最優(yōu)、其他參數(shù)與前次仿真相同的情況下進行2號參數(shù)的分布分析，得出最優(yōu)的2號參數(shù)。接下來在2號參數(shù)最優(yōu)、其他參數(shù)與前次仿真相同的情況下，再次對1號參數(shù)進行分布分析，如果1號參數(shù)的最優(yōu)點基本沒有變化，說明1號和2號參數(shù)在目前的最優(yōu)點無相互影響；如果1號參數(shù)的最優(yōu)點發(fā)生偏移，證明1號和2號參數(shù)之間存在比較大的相互影響，那么在新的最優(yōu)1號參數(shù)情況下再次對2號參數(shù)進行分布分析，不斷重復(fù)這一過程，直至得到最優(yōu)點不再發(fā)生偏移的1號和2號參數(shù)。此過程稱之為1號與2號參數(shù)的解耦。

之后不斷引入新的參數(shù)進行解耦，基本原則是只要有某一參數(shù)最優(yōu)點在解耦過程中發(fā)生偏移，就回到本次解耦的初始點，進行重新解耦。此方法可以確保各個參數(shù)同時達到對磁場調(diào)制能力最有利的值，即實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的最優(yōu)化。

3 最優(yōu)點參數(shù)解耦法實例分析

本文使用最優(yōu)點參數(shù)解耦法對一臺小型軸帶無刷雙饋發(fā)電機進行優(yōu)化設(shè)計，電機主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機主要參數(shù)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式選擇凸極磁障式，如圖3所示。這類轉(zhuǎn)子由于凸極處沒有磁隔離，會對自身的磁場調(diào)制能力有所影響，但其實際性能如何，目前并沒有文獻進行過研究。本文將使用最優(yōu)點參數(shù)解耦法，對此轉(zhuǎn)子進行具體優(yōu)化設(shè)計。

圖3 凸極磁障式轉(zhuǎn)子

3.1 分析方法

針對此優(yōu)化設(shè)計案例，本文利用二維有限元瞬態(tài)場進行仿真、對比和分析。基本思路是按設(shè)計要求固定控制繞組的勵磁輸入，并由式(1)確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。在確保勵磁輸入和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變的情況下對不同的模型進行有限元計算，統(tǒng)計3個主要參數(shù)：功率繞組輸出相電壓幅值、氣隙磁場中2次諧波含量、氣隙磁場中3次諧波含量。根據(jù)文獻[5]對BDFM氣隙磁場分布的分析，這3個量越大，說明轉(zhuǎn)子的調(diào)制能力越強。

本文采用的數(shù)據(jù)分析方式：在MATLAB中編寫程序，對有限元仿真運算得來的氣隙磁場分布圖作傅里葉分解，得出氣隙磁場中各次諧波的分布。

3.2 排除干擾

在選定該轉(zhuǎn)子參數(shù)前，首先應(yīng)排除一些對參數(shù)選擇有影響的干擾。在本文優(yōu)化設(shè)計中，影響參數(shù)選擇的主要因素有2個：小導(dǎo)磁片是否應(yīng)該等寬；外圍5個小凹陷處是否應(yīng)該有導(dǎo)磁片。

針對這2個問題進行二維有限元瞬態(tài)場對比分析，由于這并不是本文主要研究內(nèi)容，所以直接給出結(jié)論：

導(dǎo)磁片不等寬對轉(zhuǎn)子調(diào)制能力影響不大，考慮工藝實現(xiàn)的復(fù)雜程度，本文采用等寬的導(dǎo)磁片；5個小凹陷處有導(dǎo)磁片雖然會使輸出相電壓幅值略有提高，但明顯增加諧波含量，影響輸出波形效果。因此，本文選擇不在此處加小導(dǎo)磁片。

3.3 關(guān)鍵參數(shù)選擇與解耦

圖4 參數(shù)示意圖

3.3.1 參數(shù)d,m的設(shè)計與解耦

取h=18 mm,m=2,a=0.2,b=0.1，對不同d值的電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元分析結(jié)果如表2所示。

表2 參數(shù)d最優(yōu)值仿真結(jié)果

綜合考慮氣隙中有用次諧波含量、輸出相電壓幅值及工藝因素，取d=2較為適合。

取h=18mm,d=2,a=0.2,b=0.1，對不同m值的電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元分析結(jié)果如表3所示。

表3 參數(shù)m最優(yōu)值仿真結(jié)果

表4 參數(shù)d,m解耦仿真結(jié)果

3.3.2 參數(shù)d,m,h的設(shè)計與解耦

表5 參數(shù)h最優(yōu)值仿真結(jié)果

最優(yōu)值取h=30 mm。

對參數(shù)h和d,m進行解耦：取h=30 mm,d=2,a=0.2,b=0.1，對不同m值的電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元分析結(jié)果如表6所示。

表6 參數(shù)m一致性檢驗仿真結(jié)果

取d=2,m=1,a=0.2,b=0.1，對不同h值的電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元分析，發(fā)現(xiàn)h的最優(yōu)值仍取30mm。

取h=30mm,m=1,a=0.2,b=0.1，對不同d值的電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元，發(fā)現(xiàn)d的最優(yōu)值仍取2。

以上說明參數(shù)d,m與h已在最優(yōu)點實現(xiàn)解耦，同時達到最優(yōu)值。

3.3.3 參數(shù)d,m,h,a,b的設(shè)計與解耦

由于參數(shù)a和b直接決定著轉(zhuǎn)子表面導(dǎo)磁部分的分布，因此它們可以看成一個整體參數(shù)進行分析，提高優(yōu)化效率。即先進行參數(shù)a和b的設(shè)計與解耦，再與另外3個參數(shù)進行解耦。

取d=2,m=1,h=30mm,a=0.2，對不同b值的電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元分析結(jié)果如表7所示。

表7 參數(shù)b最優(yōu)值仿真結(jié)果

最優(yōu)值取b=0.1。

取d=2,m=1,h=30 mm,b=0.1，對不同a值的電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元分析結(jié)果如表8所示。

表8 參數(shù)a最優(yōu)值仿真結(jié)果

最優(yōu)值取a=0.3。

對參數(shù)a和b進行解耦：取d=2,h=30mm,m=1,a=0.3，對不同b值的電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元分析發(fā)現(xiàn)，在a取最優(yōu)值時，b=0.1仍然是符合設(shè)計要求的最優(yōu)點，說明參數(shù)a與b已在最優(yōu)點實現(xiàn)解耦，同時達到最優(yōu)值。

對參數(shù)a,b和d,m,h進行解耦：取h=30mm,m=1,a=0.3,b=0.1，對不同的d值電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元分析；取h=30mm,d=2,a=0.3,b=0.1，對不同m值的電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元分析；取d=2,m=1,a=0.3,b=0.1，對不同h值的電機模型進行二維瞬態(tài)場有限元分析。發(fā)現(xiàn)在參數(shù)a,b取最優(yōu)值時，h=30mm,m=1,d=2仍然符合設(shè)計要求的最優(yōu)點，說明參數(shù)a,b與h,m,d已在最優(yōu)點實現(xiàn)解耦，同時達到最優(yōu)值。

3.4 優(yōu)化結(jié)果分析

整個優(yōu)化過程使用最優(yōu)點參數(shù)解耦法，得出了本文凸極磁障式轉(zhuǎn)子對磁場調(diào)制能力最強的參數(shù)組合：h=30mm,m=1,d=2,a=0.3,b=0.1。當(dāng)然可以通過進一步細化參數(shù)分布值得出更為精確的優(yōu)化結(jié)果，但本文設(shè)計精度已經(jīng)基本滿足，細化參數(shù)已不會使3個指標(biāo)量有很大的增幅。按此參數(shù)在二維有限元瞬態(tài)場環(huán)境下繪制電機模型，并與經(jīng)過大量反復(fù)實驗得出的采用圓形片磁障式轉(zhuǎn)子的實例最優(yōu)電機模型進行仿真對比，如圖5所示，2個模型除轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式不同外，定子、勵磁輸入、轉(zhuǎn)速等其他條件完全相同。經(jīng)仿真計算后功率繞組輸出的反電動勢波形和數(shù)據(jù)分析結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

(a) 凸極磁障式轉(zhuǎn)子

(b) 圓形片磁障式轉(zhuǎn)子

(a) 凸極磁障式轉(zhuǎn)子

(b) 圓形片磁障式轉(zhuǎn)子

(a) 凸極磁障式轉(zhuǎn)子

(b) 圓形片磁障式轉(zhuǎn)子

對比分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在此小型軸帶發(fā)電機的優(yōu)化設(shè)計中，采用凸極磁障式轉(zhuǎn)子會使輸出電壓幅值略高于采用圓形片磁障式轉(zhuǎn)子的情況，但有用次諧波含量卻低于圓形片磁障式轉(zhuǎn)子，輸出諧波含量高，對磁場調(diào)制能力差，效率較低。這主要是因為凸極處沒有磁隔離造成的，與實際理論相符。

4 結(jié) 語

本文研究了一種針對BDFM轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計的實用方法，即最優(yōu)點參數(shù)解耦法，并利用此方法首次對凸極磁障式轉(zhuǎn)子進行了分析與優(yōu)化，找到了相應(yīng)凸極磁障式轉(zhuǎn)子的最優(yōu)參數(shù)組合，并得出結(jié)論：凸極磁障式轉(zhuǎn)子雖然在輸出幅值方面高于圓形片磁障式轉(zhuǎn)子，但對磁場的調(diào)制能力要低于圓形片磁障式轉(zhuǎn)子，間接證明了最優(yōu)點參數(shù)解耦法的可行性與正確性。

目前，對BDFM的優(yōu)化設(shè)計研究仍主要集中在發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更簡單且對磁場調(diào)制能力更強的轉(zhuǎn)子，最優(yōu)點參數(shù)解耦法將有助于發(fā)掘BDFM各類結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)子的最優(yōu)性能點，是一種現(xiàn)實可行的方法，也希望它能對BDFM未來的研究和發(fā)展有所幫助。

[1] 王秀平.新型混合轉(zhuǎn)子BDFM的電磁特性分析與實驗研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué),2014.

[2] 薛冰,胡堃,樊貝.不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電動機的仿真研究[J].工礦自動化,2012,38(1):55-58.

[3]WILLIAMSONS,FERREIRAAC,WALLACEA,etal.Generalisedtheoryofthebrushlessdoublyfedmachine.I.Analysis[J].IEEProceedingsElectricPowerApplications,1997,144(2):111-122.

[4] 楊俊華,呂惠子,吳捷,等.基于波波夫超穩(wěn)定性的BDFM直接轉(zhuǎn)矩控制[J].中國電機工程學(xué)報,2009(15):107-113.

[5] 張千.徑向疊片磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的有限元分析與研究[D].北京：北京交通大學(xué),2010.

DecouplingMethodforOptimalPointParametersofBrushlessDoublyFedMachinesRotorOptimize

XIAYe1,BIANTao2,ZHUJing-wei1

(1.Dalian Maritime University,Dalian 116026,China;2.Tieling Power Supply Company of State Grid,Tieling 112000,China)

Abstract:Aiming at the current problem of having no accurate and effective method in brushless doubly fed machines rotor design, decoupling method for optimal point parameters was put forward. The salient pole and magnetic barrier rotor was optimized and designed for the first time and the corresponding best parameters combination of salient pole and magnetic barrier rotor for magnetic field modulation ability was got. According to the comparison with magnetic barrier rotor, the conclusion was reached that salient pole and magnetic barrier has higher output voltage amplitude, but weaker magnetic field modulation ability, which also indirectly proved the feasibility and correctness of the decoupling method for optimal point parameters. It will provide a practical and feasible optimization method for the development of brushless doubly fed machines rotor.

Key words：brushless doubly fed machines(BDFM); optimum design; most advantage parameters decoupling method; salient pole and magnetic barrier rotor

中圖分類號：TM351

A

1004-7018(2018)05-0039-05

2016-07-12

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(3132016313)

作者簡介：夏野(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為無刷雙饋電機的設(shè)計與優(yōu)化。