8/4极磁障转子无刷双馈电机

张 岳，王凤翔

(1.辽宁科技学院 电信学院，本溪 117004；2.沈阳工业大学 电气工程学院，沈阳 110870)

0 引 言

无刷双馈电机既能异步、同步和双馈调速运行，又可变速恒频运行，在交流调速系统和变速恒频发电系统中有实用价值[1-5]。

在无刷双馈电机工作原理的基础上，基于场路耦合有限元法，针对电机功率450 kW、8/4极磁障转子无刷双馈电机的不同运行特性进行详细分析。

1 无刷双馈电机的工作原理

图1为无刷双馈电机的变速驱动或发电系统结构图，无刷结构的转子极对数与功率绕组和控制绕组极对数的关系如下：

图1 无刷双馈电机系统图

pr=p+qp≠q

(1)

当定子极对数2p、转子极对数2q满足式(1)，电机转速nr与两套绕组的频率f1和f2满足下式：

(2)

式中：“+”为两套绕组的电流同相序，“-”为反相序。

调节控制绕组的电源频率f2，可实现变速驱动和变速恒频发电。

2 无刷双馈电机转子结构特点

无刷双馈电机的机电能量转换有两种方式：一种是基于转子电路设计的具有短路绕组的笼型转子[6]，如图2(a)所示，其优点是制造工艺简单，缺点是转子绕组有电流损耗；另一种是基于转子磁路设计的磁阻转子，如图2(b)所示的轴向叠片各向异性转子(ALA转子)，其优点是转子没有绕组电流损耗，缺点是制造工艺复杂。

(a) 笼型转子

(b) ALA转子图2 无刷双馈电机转子类型

3 电机运行特性仿真

下文仿真分析了磁障转子无刷双馈电机的起动过程、空载及负载情况下的异步运行和双馈运行模式时，定子上的功率绕组和控制绕组的电压和电流、电磁转矩变化情况。

3.1 磁障转子无刷双馈电机的电磁设计

文献[7]从磁障数量、极弧系数和磁障结构研究无刷双馈电机性能，结果表明，随着磁障数量与形状复杂程度的增加，转子的制造工艺复杂性和成本也随之增加。为了提高电机的输出功率，磁障转子加工工艺简单的同时成本又低，本文的磁障转子采用每极3条磁障结构，其磁障转子无刷双馈电机有限元模型如图3所示。磁障转子无刷双馈电机的主要参数如表1所示。

图3 磁障转子无刷电机有限元模型

表1 样机主要参数

3.2 起动和异步仿真

在分析电机起动、空载和负载特性时，充分考虑磁动势和磁导的磁场调制作用及磁路饱和等非线性因素的影响[8-10]。采用场路耦合的有限元方法，计算磁阻转子结构无刷双馈电机空载起动与负载异步运行的特性，其运行曲线如图4～图9所示。

由图4转速和图5转矩曲线可以看出，当施加3 000 N·m负载转矩时，电机在转速492 r/min可以正常运行，输出功率155kW。当负载转矩为4 000 N·m时，电机转速和电磁转矩急剧下降而难以正常运行，由此可知，磁障转子无刷双馈电机异步运行时的最大输出功率约为175 kW。

图4 起动、空载与负载时转速

图5 电磁转矩曲线

由图6功率绕组电流曲线可以看出，电机空载运行时功率绕组电流为43 A，而输出功率为155 kW时为58 A，空载电流偏大，这是由于电机的漏磁较大造成的。图7表明，控制绕组空载电流很小，而155 kW时的负载电流为170 A。

图6 功率绕组电流曲线

图7 控制绕组电流

图8为电机负载时铁心损耗曲线图。从图8中可看出，电机的铁心损耗约为6 kW，说明绕组增加匝数后铁心平均磁通密度显著减小，铁心饱和程度减小。从图9负载运行时(输出功率155kW)的电机定转子铁心中的磁通密度分布可以看出，除气隙表面定转子齿边沿处磁通密度较高外，铁心中总的磁场分布比较均匀。

图8 定转子铁心损耗

图9 负载运行时的电机定转子磁通密度分布

3.3 同步和双馈运行的特性仿真

以往计算无刷双馈电机输出功率时，是将其作为普通异步电机运行考虑的，而没有考虑无刷双馈电机实际上是一种同步电机，其功率绕组的励磁功率(无功功率和功率因数)是可以通过控制绕组电流进行补偿的。考虑无刷双馈电机的这一特点，其同步和双馈调速运行时的输出功率比异步运行时的输出功率有较大的提高。无刷双馈电机采用异步起动后，控制绕组通过变频器输入适当频率和幅值的电流，电机可运行在同步或双馈调速运行方式。图10～图15是对于磁障转子无刷双馈电机的同步运行特性进行仿真分析。

由图10转速和图11转矩曲线可以看出，当控制绕组施加适当直流励磁电压时，磁障转子双馈电机在同步转速500 r/min下可以运行，其输出功率比异步运行时的输出功率高。

图10 电机异步起动与同步负载运动时的转速曲线

图11 电磁转矩曲线

由图12功率绕组电流曲线可以看出，电机空载运行时功率绕组电流为42 A，与异步运行时相同。然而输出功率为367 kW时空载功率绕组电流为69 A，负载电流增加不多是由于控制绕组提供了励磁电流，提高了功率绕组的功率因数。图13表明，控制绕组空载电流很小，而输出功率为367 kW时的控制绕组负载电流有效值为338 A。

图12 功率绕组电流

图13 控制绕组电流

图14的电机负载时的铁心损耗低于6 kW，说明其磁路饱和程度低于异步运行。从图15负载运行时(输出功率367 kW)的电机定转子铁心中的磁通密度分布可以看出，除气隙表面定转子齿边沿处磁通密度稍高外，铁心中总的磁场分布比较均匀，磁通密度不高。

图14 定转子铁心损耗

图15 负载运行时的电机定转子磁通密度分布

4 实验验证

为了验证上述理论可行性，在磁障转子无刷双馈电机上进行了变速恒频发电特性实验。实验原理图如图16所示。

图16 样机实验原理图

在1 000 r/min时样机作变速恒频发电时功率绕组和控制绕组线电流的实验和仿真波形如图17所示。由图17可以看出，功率绕组和控制绕组的电压与电流的实验与仿真基本一致。

(a) 实验波形

(b) 仿真波形图17 功率绕组线电压和控制绕组电流实验与仿真图(1 000 r/min，控制绕组电流23.6 A)

5 结 语

本文基于场路耦合法，分析了新型转子结构的无刷双馈电机的起动过程、空载以及负载的运行特性，对异步、同步和双馈运行时磁障转子无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组的电流、铁心损耗以及电磁转矩变化进行详细仿真研究及样机实验。结果表明，本文的磁障转子结构既保留了磁阻转子结构简单成本低的优点，又有效地改善了无刷双馈电机的性能，可用于电机调速系统和变速恒频风力发电系统。