張 岳，王鳳翔

(1.遼寧科技學(xué)院 電信學(xué)院，本溪 117004；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽 110870)

0 引 言

無刷雙饋電機(jī)既能異步、同步和雙饋調(diào)速運行，又可變速恒頻運行，在交流調(diào)速系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中有實用價值[1-5]。

在無刷雙饋電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，基于場路耦合有限元法，針對電機(jī)功率450 kW、8/4極磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的不同運行特性進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 無刷雙饋電機(jī)的工作原理

圖1為無刷雙饋電機(jī)的變速驅(qū)動或發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，無刷結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子極對數(shù)與功率繞組和控制繞組極對數(shù)的關(guān)系如下：

圖1 無刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)圖

pr=p+qp≠q

(1)

當(dāng)定子極對數(shù)2p、轉(zhuǎn)子極對數(shù)2q滿足式(1)，電機(jī)轉(zhuǎn)速nr與兩套繞組的頻率f1和f2滿足下式：

(2)

式中：“+”為兩套繞組的電流同相序，“-”為反相序。

調(diào)節(jié)控制繞組的電源頻率f2，可實現(xiàn)變速驅(qū)動和變速恒頻發(fā)電。

2 無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點

無刷雙饋電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換有兩種方式：一種是基于轉(zhuǎn)子電路設(shè)計的具有短路繞組的籠型轉(zhuǎn)子[6]，如圖2(a)所示，其優(yōu)點是制造工藝簡單，缺點是轉(zhuǎn)子繞組有電流損耗；另一種是基于轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計的磁阻轉(zhuǎn)子，如圖2(b)所示的軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子(ALA轉(zhuǎn)子)，其優(yōu)點是轉(zhuǎn)子沒有繞組電流損耗，缺點是制造工藝復(fù)雜。

(a) 籠型轉(zhuǎn)子

(b) ALA轉(zhuǎn)子圖2 無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子類型

3 電機(jī)運行特性仿真

下文仿真分析了磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的起動過程、空載及負(fù)載情況下的異步運行和雙饋運行模式時，定子上的功率繞組和控制繞組的電壓和電流、電磁轉(zhuǎn)矩變化情況。

3.1 磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的電磁設(shè)計

文獻(xiàn)[7]從磁障數(shù)量、極弧系數(shù)和磁障結(jié)構(gòu)研究無刷雙饋電機(jī)性能，結(jié)果表明，隨著磁障數(shù)量與形狀復(fù)雜程度的增加，轉(zhuǎn)子的制造工藝復(fù)雜性和成本也隨之增加。為了提高電機(jī)的輸出功率，磁障轉(zhuǎn)子加工工藝簡單的同時成本又低，本文的磁障轉(zhuǎn)子采用每極3條磁障結(jié)構(gòu)，其磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)有限元模型如圖3所示。磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

圖3 磁障轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)有限元模型

表1 樣機(jī)主要參數(shù)

3.2 起動和異步仿真

在分析電機(jī)起動、空載和負(fù)載特性時，充分考慮磁動勢和磁導(dǎo)的磁場調(diào)制作用及磁路飽和等非線性因素的影響[8-10]。采用場路耦合的有限元方法，計算磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機(jī)空載起動與負(fù)載異步運行的特性，其運行曲線如圖4～圖9所示。

由圖4轉(zhuǎn)速和圖5轉(zhuǎn)矩曲線可以看出，當(dāng)施加3 000 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，電機(jī)在轉(zhuǎn)速492 r/min可以正常運行，輸出功率155kW。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4 000 N·m時，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩急劇下降而難以正常運行，由此可知，磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)異步運行時的最大輸出功率約為175 kW。

圖4 起動、空載與負(fù)載時轉(zhuǎn)速

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩曲線

由圖6功率繞組電流曲線可以看出，電機(jī)空載運行時功率繞組電流為43 A，而輸出功率為155 kW時為58 A，空載電流偏大，這是由于電機(jī)的漏磁較大造成的。圖7表明，控制繞組空載電流很小，而155 kW時的負(fù)載電流為170 A。

圖6 功率繞組電流曲線

圖7 控制繞組電流

圖8為電機(jī)負(fù)載時鐵心損耗曲線圖。從圖8中可看出，電機(jī)的鐵心損耗約為6 kW，說明繞組增加匝數(shù)后鐵心平均磁通密度顯著減小，鐵心飽和程度減小。從圖9負(fù)載運行時(輸出功率155kW)的電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心中的磁通密度分布可以看出，除氣隙表面定轉(zhuǎn)子齒邊沿處磁通密度較高外，鐵心中總的磁場分布比較均勻。

圖8 定轉(zhuǎn)子鐵心損耗

圖9 負(fù)載運行時的電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁通密度分布

3.3 同步和雙饋運行的特性仿真

以往計算無刷雙饋電機(jī)輸出功率時，是將其作為普通異步電機(jī)運行考慮的，而沒有考慮無刷雙饋電機(jī)實際上是一種同步電機(jī)，其功率繞組的勵磁功率(無功功率和功率因數(shù))是可以通過控制繞組電流進(jìn)行補償?shù)?。考慮無刷雙饋電機(jī)的這一特點，其同步和雙饋調(diào)速運行時的輸出功率比異步運行時的輸出功率有較大的提高。無刷雙饋電機(jī)采用異步起動后，控制繞組通過變頻器輸入適當(dāng)頻率和幅值的電流，電機(jī)可運行在同步或雙饋調(diào)速運行方式。圖10～圖15是對于磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的同步運行特性進(jìn)行仿真分析。

由圖10轉(zhuǎn)速和圖11轉(zhuǎn)矩曲線可以看出，當(dāng)控制繞組施加適當(dāng)直流勵磁電壓時，磁障轉(zhuǎn)子雙饋電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速500 r/min下可以運行，其輸出功率比異步運行時的輸出功率高。

圖10 電機(jī)異步起動與同步負(fù)載運動時的轉(zhuǎn)速曲線

圖11 電磁轉(zhuǎn)矩曲線

由圖12功率繞組電流曲線可以看出，電機(jī)空載運行時功率繞組電流為42 A，與異步運行時相同。然而輸出功率為367 kW時空載功率繞組電流為69 A，負(fù)載電流增加不多是由于控制繞組提供了勵磁電流，提高了功率繞組的功率因數(shù)。圖13表明，控制繞組空載電流很小，而輸出功率為367 kW時的控制繞組負(fù)載電流有效值為338 A。

圖12 功率繞組電流

圖13 控制繞組電流

圖14的電機(jī)負(fù)載時的鐵心損耗低于6 kW，說明其磁路飽和程度低于異步運行。從圖15負(fù)載運行時(輸出功率367 kW)的電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心中的磁通密度分布可以看出，除氣隙表面定轉(zhuǎn)子齒邊沿處磁通密度稍高外，鐵心中總的磁場分布比較均勻，磁通密度不高。

圖14 定轉(zhuǎn)子鐵心損耗

圖15 負(fù)載運行時的電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁通密度分布

4 實驗驗證

為了驗證上述理論可行性，在磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)上進(jìn)行了變速恒頻發(fā)電特性實驗。實驗原理圖如圖16所示。

圖16 樣機(jī)實驗原理圖

在1 000 r/min時樣機(jī)作變速恒頻發(fā)電時功率繞組和控制繞組線電流的實驗和仿真波形如圖17所示。由圖17可以看出，功率繞組和控制繞組的電壓與電流的實驗與仿真基本一致。

(a) 實驗波形

(b) 仿真波形圖17 功率繞組線電壓和控制繞組電流實驗與仿真圖(1 000 r/min，控制繞組電流23.6 A)

5 結(jié) 語

本文基于場路耦合法，分析了新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機(jī)的起動過程、空載以及負(fù)載的運行特性，對異步、同步和雙饋運行時磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的功率繞組和控制繞組的電流、鐵心損耗以及電磁轉(zhuǎn)矩變化進(jìn)行詳細(xì)仿真研究及樣機(jī)實驗。結(jié)果表明，本文的磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)既保留了磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單成本低的優(yōu)點，又有效地改善了無刷雙饋電機(jī)的性能，可用于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。