深槽式凸极转子无刷双馈电机有限元分析

薛 冰，胡 堃，樊 贝

(中国矿业大学，江苏徐州221116)

0引 言

无刷双馈电机(以下简称BDFM)是一种新式特种电机，因其结构简单结实，功率因数可控制，调速机械特性硬，当用作变频调速电动机时所需变频器容量较小等特点，近年来越来越受瞩目。BDFM由于没有电刷，电机运行的可靠度和环境的适应能力大大加强，电机维护费用降低;而且它同时兼有各类交流电机共有优势，可以自如地变换双馈、同步、异步、电动模式;当用于变速恒频恒压发电机时，有功功率和无功功率可以灵活控制。多极数BDFM转速低，适合作风力发电机不需要增速箱，使得风力发电成本大大降低，同时系统稳定且便于维护，所以在风力变速恒频发电的应用方面，BDFM具有很好的自身发展优势。

BDFM转子典型种类有笼型和磁阻型。国内对笼型转子研究很多，文献［1］提出等距笼型新转子结构，通过有限元分析得出此新型笼型转子磁耦合强，高次谐波含量不多，而且它的转子漏阻抗也非常少，具有较好的稳定性和效率;文献［2］仿真对比分析了几种不同笼型转子BDFM磁耦合效果，得出靠近公共笼条的端环对笼型转子的磁耦合贡献最多;文献［3］用一台笼型转子BDFM样机通过实验验证了一种新的分析BDFM的场路耦合二维时步有限元方法的正确性。文献［4］分析了笼型转子结构的优化设计方案，并对各种优化方案进行了比较。以上文献主要是针对笼型转子BDFM进行研究，而对磁阻型转子的研究相对较少，尤其对传统凸极转子的研究更少。磁阻型转子靠自身结构实现转子磁场耦合，笼型转子则是通过转子绕组电流完成转子磁场耦合，且其不能阻碍恒定磁通。磁阻型转子典型代表有凸极转子和磁障式磁阻转子，如图1所示。

图1 磁阻转子结构BDFM

传统凸极转子结构简单结实，便于加工，而磁障式磁阻转子加工工艺繁琐，不利于实际生产应用推广，但是磁障式磁阻转子磁场调制效果好，电机损耗小，运行稳定，而传统凸极转子的形状决定了其磁场调制效果不理想，拥有大量谐波磁场，电机损耗高。本文通过Ansoft二维瞬态电磁场有限元分析方法，对带有二极控制绕组、六极功率绕组的新型深槽式凸极转子BDFM和传统凸极转子BDFM进行有限元分析，得到其空间磁场效应图和空间磁密分布，并对比分析它们的磁场调制效果。

1无刷双馈电机结构和原理

无刷双馈电机的结构如图2所示［5］。定子侧含有两个绕组，一个是功率绕组极数是2pp，直通工频电源;另一个是控制绕组极数是2pc，由双向变频电源供电。功率和控制绕组间没有磁场交叉耦合，其机电能量的转换是通过转子调制作用完成的，转子的调制作用决定了电机的损耗大小及稳定度等参数。通过不断地优化转子结构，加强空间磁场中有用的pp和pc次谐波占有率，减弱其他没用的有害谐波占有率，进而提高电机的运行稳定度和减小损耗［5］。

图2 BDFM基本结构

2深槽式凸极转子模型

转子的结构决定了直轴和交轴磁阻大小不同，利用气隙磁导对定子绕组磁动势进行调制，使功率绕组和控制绕组产生的不同极数的磁场得以互相转换［6］。凸极转子形状决定了dq轴方向磁阻差较小，对定子功率绕组和控制绕组的耦合能力弱，为了加大dq轴方向的磁阻差，提高转子的磁场调制能力，结合磁障式磁阻转子的结构特点，在凸极转子铁心上增加pr个深槽，谐波磁通路径被深槽高磁阻率所限制，使转子磁通路径变为pr个，增加有效谐波占有率，减少有害谐波占有率，提高其磁场调制作用。为实现“极数转换器”的作用，转子极数选取采用“和调制”，本文采用控制绕组极数2pc=2，功率绕组极数2pp=6，和调制后转子极数pr=4，即转子拥有4个深槽，如图3所示。

图3 深槽式凸极转子无刷双馈电机

3 BDFM有限元分析

借助有限元分析软件Ansoft，建立BDFM二维截面模型图。为了方便对比分析深槽式凸极转子和磁障式磁阻转子磁耦合效果，将它们的定转子结构参数取为一致，转子铁心除深槽外也一致，所通电压电流也一样。对于深槽宽度和长度选择，可以通过对深槽宽度0．5～4．5 mm、每隔0．5 mm 进行有限元分析得知，在深槽宽度2～2．5 mm时，转子调制效果最好，本文选择2 mm;通过对深槽长度22～27 mm、每隔0．5 mm进行有限元分析得知，随着长度的增加，转子调制效果增强，但为了实际方便加工以及结构强度的考虑，深槽长度选择24．5 mm，具体结构参数如表1所示。

表1 BDFM结构参数

利用仿真得到两种转子模型的有限元剖分图如图4所示，磁力线分布如图5所示。从磁力线分布图可以看出，经过优化设计的深槽式凸极转子无刷双馈电机磁力线路径比传统凸极磁阻转子无刷双馈电机磁力线路径规则了很多，有效地减少了有害谐波磁场。

图4 有限元剖分图

从图5(c)的定子两套绕组一起励磁时的磁力线分布图容易看出，转子的4个极相互对称，完全满足无刷双馈电机极数调制的原理，可以实现机电能量转换，产生稳定转矩，从而佐证了本文的建模和有限元计算结果的正确性。

通过后处理计算得到它们的空间磁通密度分布图如图6、图7所示。

借助MATLAB，傅式分解图6，图7的磁密波，计算出空间磁密各次谐波比例如图8、图9所示，其中有用的磁场谐波是一次和三次谐波。

观察图8、图9可知，功率绕组单独励磁时，以三次谐波为基准，空间磁密中不但包含极对数为三的有效磁密，通过转子磁场调制后还得到许多与控制绕组极对数一致的有效谐波磁密，深槽式凸极转子的比例达到基波比例的55%，而凸极转子的比例只达到基波比例的45%，而且其他没用谐波磁密比例也比深槽式凸极转子多;控制绕组单独励磁时，空间磁密中不但含有基波磁密，通过转子磁场调制后还得到许多与功率绕组极对数一致的三次有效谐波磁密，深槽式凸极转子的比例达到基波比例的60%，而凸极转子的比例只达到基波比例的39%，同时深槽式凸极转子的没用谐波磁密比例也较后者少。

综上所述，在凸极转子基础上通过优化设计得到的深槽式凸极转子磁耦合能力比原来的凸极转子好，并且无效次谐波磁密比例也大大降低，电机的效率和运行性能得到提高。

4结 语

本文在分析凸极转子特点的基础上，通过对凸极转子的优化设计得到了深槽式凸极转子结构，经过有限元分析得出，深槽式凸极转子磁耦合能力比原来凸极转子磁耦合能力好，改善了传统凸极转子磁耦合能力差、谐波含量大、电机效率和功率密度偏低的劣势，新型深槽式凸极转子BDFM不但结构简单结实、方便制造、运行稳定、而且具有转子调制效果好，运行性能好等优点，为磁阻类转子无刷双馈电机的实际应用奠定了基础，也为无刷双馈电机的优化设计开辟了新的方向。

［1］ 邓先明，方荣惠，王抗．等距笼型转子无刷双馈电机的有限元分析［J］．电机与控制学报，2009，1(4):507-510．

［2］ 韩力，高强．无刷双馈电机笼型转子结构对磁场调制的影响［J］．电机与控制学报，2009，13(2):161-167．

［3］ 王爱龙，熊光煜．无刷双馈电机时步有限元分析［J］．中国电机工程学报，2008，28(21):123-127．

［4］ 刘宪栩，章玮．笼型无刷双馈电机转子优化设计和有限元分析［J］．微电机，2007，40(1):20-21．

［5］ 胡堃，何凤有，薛冰．深槽式笼型转子无刷双馈电机的仿真分析［J］．微特电机，2011(11):34-43．

［6］ 王凤翔，张凤阁等．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．