深槽式笼型转子无刷双馈电机的仿真分析

胡 堃，何凤有，薛 冰

(中国矿业大学，江苏徐州221008)

0 引 言

无刷双馈电机(以下简称BDFM)是一种新型交流电机，它结构特殊，没有电刷和滑环，具有同步电机的运行性能，可调节功率因数和四象限运行能力，可以工作在电动机状态又可工作在发电机状态。无刷双馈电机在调速运行时只需要转差容量大小的变频器，所以调速成本相对较低;工作在发电状态时可以实现变速恒频发电，方便实现有功和无功功率的灵活调节;而工作在电动状态时，功率绕组和控制绕组的频率和通电相序决定了它的转速，与负载转矩的大小无关，所以它的机械特性较硬，因此无刷双馈电机的应用越来越受重视。

BDFM的效率和运行性能和转子的磁场极数转换效率有直接关系，所以为了提高磁场极数的转换效率，许多学者对BDFM的转子结构进行了研究分析，设计出了多种适合BDFM运行需要的转子结构，典型代表有环状笼型转子和凸极加导条转子，如图1所示。对这两类转子结构进行实验分析对比发现，凸极加导条转子结构的磁场极数转换效率高，而笼型转子的磁场极数转换效率较低［1］，但凸极加导条转子结构复杂，不能单馈异步运行［2］，而笼型转子结构简单，且能在变频器发生故障时，可以断开控制绕组电源，仅由功率绕组提供电能，进行单馈异步运行，可靠性和安全性高。

综合上述两类转子结构的优点，本文以控制绕组为2极(pc=1)，功率绕组为6极(pp=3)的新型深槽式笼型转子无刷双馈电机和凸极加导条转子无刷双馈电机为例，利用Ansoft软件对其进行建模仿真，计算出电机磁力线分布，气隙磁密各次谐波含量并对两者仿真结果进行分析对比，得出此新型深槽式笼型转子具有优良的磁场调制能力，可以完全替代结构复杂的凸极加导条转子。深槽式笼型转子的提出为BDFM优化设计开辟了新方向，为电机的实际应用奠定了基础。

1 无刷双馈电机的结构和基本原理

无刷双馈电机的基本结构由定子、转子、公共磁路组成，两套不同极对数的三相对称绕组安装在定子侧，3对极的功率绕组接工频电源，1对极的控制绕组接可逆变频器，如图2所示［3］。

图2 无刷双馈电机的结构

工频电源提供电功率，改变可逆变频器的频率，改变控制绕组中电流频率，从而改变转子转速，转速表达式［4］:

“+”表示功率绕组和控制绕组产生相同相序的旋转磁势，“－”表示功率绕组和控制绕组产生相反相序的旋转磁势［5］。

当定子功率绕组与控制绕组分别连接频率为fp和fc的三相对称交流电压时，产生三相对称交流电流，在电机磁路中建立两个旋转的磁场，定子中这两个极对数不同的空间磁场不能直接耦合，需要通过特殊的转子结构进行间接耦合，与转子感应电流形成的磁场相互作用产生电磁转矩，转子磁场需要进行极对数的自动转换才能与定子磁场相匹配，最终形成稳定的电磁转矩，实现机电能量的转换，所以转子结构应具备“极数转换器”的功能，转换的效率越高，电机的性能就越好。BDFM转子磁场转换是利用转子谐波磁场来实现的，其转换程度由对应磁场的谐波含量决定，对应磁场的谐波含量越高，转换效率就越好，而其它各次谐波磁通会在转子中感应谐波电势，产生谐波电流，建立谐波磁场，会产生制动转矩，增加电机损耗，所以需要除有用的谐波含量高以外，其他各次谐波含量越少越好。

2 深槽式笼型转子的设计

凸极加导条结构电机的转子磁路不对称，直轴d方向磁阻小，交轴q方向磁阻大，产生了交直轴方向的磁阻差别。功率绕组产生的旋转磁势作用在不对称的转子磁路上，会产生与控制绕组相同极数的谐波磁场;同样控制绕组也产生与功率绕组相同极数的谐波磁场。所以通过磁路的不对称性来调制两个旋转磁势的能量转换，所以电机效率高。

笼型转子BDFM的转子磁路对称，它的磁场极数转换不能通过磁路不对称性来调制，其转子电路分别由pp+pc个环状电路组成，它是依靠转子电流的不对称分布来产生谐波磁场，完成磁场极数转换，其转换效率不高。

深槽式笼型转子的设计是基于笼型转子的基础上，在转子上额外增加pp+pc个转子深槽，依靠这些转子深槽将转子划分为pp+pc个磁极，将磁路不对称特性加到笼型转子中，这样既保留了结构简单可靠，能单馈异步运行的笼型转子的优点;又提高了它的磁场转换效率。在这里取控制绕组极对数pc=1，功率绕组极对数pp=3，所以图3中的深槽数为4。

图3 深槽式笼型转子BDFM

3 BDFM建模与仿真

利用Ansoft软件的二维瞬态场建立电机的Maxwell－2D模型，因为BDFM内部磁场不对称，所以求解域选取整个电机截面。为了比较深槽式笼型转子和凸极加导条转子磁场调制效果，使其定子铁心与定子绕组参数完全相同，并且对其所施加的激励也完全相同，它们的结构参数如表1所示。

表1 BDFM结构参数

通过Ansoft有限元计算得出两种转子电机的磁力线分布如图4所示。由图4c可以看出，转子的极数是4极，符合BDFM极数调制原则，使转子具有pp+pc个对称极数，能够产生稳定的电磁转矩。

再利用Ansoft的后处理命令可以求出两种转子各自的气隙磁密波形如图5、图6所示。

利用MATLAB软件编程出计算函数对图5、图6的磁通密度波进行傅里叶分解，得到两种转子结构BDFM的气隙磁通各次谐波含量如图7、图8所示。因为控制绕组极对数pc=1，功率绕组极对数pp=3，因此基波和3次谐波是具有机电能量转换作用的有效次谐波，这两种谐波所占的比重越大，其它无效次谐波所占的比重越小，则磁场调制效果越好［6］。

从图7、图8可见，当控制绕组励磁时，气隙磁通除了含有基波磁通，还含有大量和功率绕组相同极对数的3次谐波磁通，凸极加导条转子和深槽式笼型转子的幅值都达到基波幅值的48%左右，但深槽式笼型转子的其它无效次谐波磁通含量较凸极加导条转子少;当功率绕组励磁时，气隙磁通中除含有极对数为3的基波磁通外，还含有大量与控制绕组相同极对数的谐波磁通，深槽式笼型转子的幅值达到基波幅值的60%，而凸极加导条转子的幅值只达到基波幅值的51%，并且深槽式笼型转子的其它无效次谐波磁通含量也较凸极加导条转子少。

综上所述，深槽式笼型转子BDFM对磁场极数调制作用比凸极加导条转子BDFM对磁场极数调制作用好，即磁场极数的相互转换的效率较高，并且无效次谐波磁通含量也较少，因此电机效率也较高。

4 结 语

在综合笼型转子和凸极加导条转子优点的基础上，运用Ansoft软件对一种新型深槽式笼型转子无刷双馈电机进行建模仿真，经过分析对比发现，深槽式笼型转子BDFM对磁场极数的调制作用比凸极加导条转子BDFM对磁场极数的调制作用效果好，由于笼型转子的磁场极数转换效率比凸极加导条转子结构的磁场极数转换效率要低，因此深槽式笼型转子BDFM的提出极大地提高了笼型转子对磁场的转换效率。可见，深槽式笼型转子BDFM同时具有磁场极数转换效率高，结构简单结实，能单馈异步运行，运行可靠性高等优点，对无刷双馈电机的应用研究具有参考价值。

［1］ 王凤翔，张凤阁，徐隆亚.不同转子结构无刷双馈电机转子磁耦合作用的对比分析［J］.电机与控制学报，1999，3(2):113－116.

［2］ 邓先明.无刷双馈电机的电磁分析与设计应用［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［3］ Williamson S，Ferreira A C，Wallace A K.Generalised theory of the brushless doubly － fed machine.Part 1:Analysis［J］.IEE Proc E-lectrical Power Applications，1997，144(2):111 －122.

［4］ 邓先明，姜建国.无刷双馈电机的工作原理及电磁设计［J］.中国电机工程学报，2003，23(11):126 －132.

［5］ 胡堃，伍小杰，邓先明.无刷双馈电机的工作特性测试［J］.煤矿机械，2007，28(6)，60 －63.

［6］ 王凤翔，张凤阁.磁场调制式无刷双馈交流电机［M］.长春:吉林大学出版社，2004.

［7］ 刘国强.Ansoft工程电磁场有限元分析［M］.北京:电子工业出版社，2006.