磁阻转子定子电励磁无刷同步电机电磁特性分析

蒋晓东，石征锦

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳 110159)

0 引 言

永磁电机具有功率密度高、可靠性高等优点，在工业生产领域得到了广泛应用，但其励磁不可调，且在极端恶劣环境(如高温、高湿度等)下永磁体容易失磁，在某些特殊领域不适合采用永磁电机[1-2]。

电励磁无刷同步电机是一种将常规电励磁同步电机与磁场调制机理相结合而设计的新型电机，其优势是取消了传统电励磁同步电机的电刷和滑环，使其在运行过程中不易产生火花，避免了爆炸事故的发生。相比于永磁电机，它更具有励磁调节方便、功率因数可调等优点，有着较好的应用前景，适合在一些特殊环境中使用[3]。

文献[4]提出了一种新型无刷电励磁同步电机，该电机由绕线式异步电机改造而成，仿真得到了该电机的磁力线、磁密分布和损耗，通过实验验证了该电机理论分析的合理性。文献[5]针对混合转子无刷电励磁电机的电感参数提出了一种解析计算方法，研究了电感参数随转子位置的变化规律，通过实验验证了电感参数解析计算模型的正确性。文献[6]提出了一种新型转子结构定子电励磁无刷同步电机，仿真研究得到了其励磁绕组极数对磁场耦合能力的影响规律以及运行特性，通过实验验证了该新型电机具有较好的动静态性能。文献[7]对比分析了磁障转子和混合转子两种转子结构的无刷电励磁电机的电磁性能，通过实验得出混合转子的性能优于磁障转子的性能。

文献[8]针对一类新型定子电励磁同步电机的新进展进行了综述分析，系统描述了定子电励磁同步电机的运行原理和各种新颖结构，比较了其转矩密度和其他电磁性能。文献[9]针对无刷电励磁同步电机的损耗和温度场进行了有限元分析，通过实验验证了仿真结果的正确性。

本文针对定子电励磁无刷同步电机(以下简称SEEBSM)提出了一种磁阻转子结构，分别阐述了绕组转子结构特点、运行系统以及磁场调制机理，对该电机在空载和负载两种情况下的电磁特性进行了仿真分析，研究结果为后续样机的研制和实验提供了参考依据。

1 结构和运行原理

SEEBSM采用传统感应电机的定子结构，区别在于其定子槽内嵌有不同极数的两套绕组，分别为三相电枢绕组和单相励磁绕组，如图1所示。其中，电枢绕组采用双层短距绕组，位于定子槽口；励磁绕组采用等跨距的单层绕组，位于定子槽底。两套绕组之间不存在直接的电磁耦合关系，而是通过特殊的转子结构进行间接耦合，SEEBSM新型磁阻转子结构如图2所示。定子槽内励磁绕组分布如图3所示，采用同心式绕组连接方式，支路数为1。

图1 定子绕组分布图2 转子结构

图3 励磁绕组分布图

磁阻转子等效极对数与定子励磁绕组极对数和电枢绕组极对数的关系如下：

pr=pp+pL

(1)

式中：pr为转子等效极对数；pp为电枢绕组极对数；pL为励磁绕组极对数。

在励磁绕组中串入电阻，电枢绕组直接与工频电网相连，该电机可直接起动，转速稳定后进入异步运行阶段。当转速接近同步转速时，将励磁绕组串接的电阻切换掉，同时由直流电源给励磁绕组供电，当转速再次稳定时，电机进入到同步运行阶段，运行系统示意图如图4所示。若电网频率为f1，则SEEBSM的自然同步转速：

图4 SEEBSM运行系统示意图

(2)

2 磁场调制机理

图2为SEEBSM的磁阻转子结构。忽略齿槽开口以及铁心中磁压降的影响，仅考虑对结果影响最大的基波磁导。忽略高次谐波磁导后的气隙比磁导可以近似表述：

λg(φ,t)=λ0+λ1cos[pr(φ-ωrt-θ0)]

(3)

(4)

(5)

式中：λ0为气隙磁导平均分量；λ1为基波磁导幅值；θ0为电枢绕组合成磁动势轴线与转子参考轴的夹角；pr为转子等效极对数；g为气隙长度；αp为极弧系数；ωr为转子旋转机械角速度。气隙磁通密度可表示：

B(φ,t)=[fp(φ,t)+fL(φ)]λg(φ,t)

(6)

式中：fp(φ,t)和fL(φ,t)分别为电枢绕组和励磁绕组磁动势。将式(6)展开得到：

B(φ,t)=Bp1(+)+Bp1(-)+BL1(+)+

BL1(-)+Bp0+BL0

(7)

其中，

(8)

式中：δ为励磁绕组和电枢绕组合成磁动势轴线夹角；ωp为电枢绕组角频率。

由式(8)可知，经过磁场调制后气隙中存在6种不同极数和转速的磁场，根据电机学理论，其中Bp0、BL1(-)和BL1(+)分别在励磁绕组和电枢绕组中产生的电动势频率与电流频率相同，从而输出稳定的电磁转矩。

3 SEEBSM数学模型

假设SEEBSM绕组中电压和电流的正方向如图5所示。

图5 绕组电压电流正方向

根据基尔霍夫定律，其电压方程式如下：

(9)

式中：U为电枢绕组相电压矩阵；i为绕组相电流矩阵；R为相电阻矩阵；L为绕组电感矩阵。

U=[UAUBUCUL]T

(10)

i=[iAiBiCiL]T

(11)

R=diag[RARBRCRL]

(12)

(13)

式(10)～式(13)中，下角标“L”表示励磁绕组。另外，无论是在异步还是同步运行条件下，该电机的运动方程均为：

(14)

式中：T1为负载转矩；Tem为电磁转矩；ωr为机械角速度；J为转动惯量。

4 电磁特性仿真

电机的电磁特性仿真是研究和设计新型电机的一种有效途径和方法，尤其是对于原理上与常规电机有很大不同的新型电机，仿真研究就显得尤为重要。

4.1 空载特性

针对本文的磁阻转子结构，设计了一台额定功率为11 kW、转速为500 r/min的定子电励磁无刷同步电机，主要设计参数如表1所示。采用有限元法对其空载运行时的电磁特性进行了仿真。当励磁绕组串接不同阻值的电阻时，转速随时间变化曲线如图6所示。

表1 SEEBSM主要参数

图6 励磁绕组串接不同电阻时转速随时间变化曲线

从图6可以看出，当励磁绕组串接电阻的阻值为5 Ω时，起动2.8 s后，转速基本稳定在250 r/min；当串接电阻的阻值为分别为15 Ω和20 Ω时，起动4 s后，转速基本稳定在484 r/min，接近同步转速。说明要想使该磁阻转子SEEBSM在空载时能够顺利起动，进入到异步运行阶段，励磁绕组所串接电阻的阻值不能过小。

当电机稳定运行于异步阶段时，将励磁绕组串接的电阻切除，同时由直流电源给励磁绕组供电，转速随时间的变化曲线如图7所示。

图7 不同运行状态下转速随时间变化曲线

图7中，曲线1表示处于异步运行状态下，转速随时间的变化情况；曲线2表示起动3 s后将励磁绕组串接电阻切除，由直流电源直接给励磁绕组供电时转速的变化情况。由曲线1可知，起动4 s后转速稳定在500 r/min，进入同步运行阶段。空载运行于同步转速时，SEEBSM磁场密度和磁力线分布分别如图8和图9所示。

图8 空载运行时磁场密度分布

图9 空载磁力线分布

由图8和图9可知，最大磁密位置出现在转子导磁层之间的连接筋上，最大磁密约为1.8 T。同步运行时转矩随时间变化曲线如图10所示。

图10 空载运行时转矩随时间变化曲线

4.2 负载特性

当电机空载稳定运行于同步转速时，突加30 N·m的负载，其转速、转矩随时间的变化曲线以及电枢绕组和励磁绕组的感应电动势分别如图11～图14所示。

图11 突加30 N·m负载时转速随时间变化曲线

图12 负载运行时转矩随时间变化曲线

图13 电枢绕组反电动势曲线

图14 励磁绕组反电动势曲线

由图11可知，励磁绕组串入电阻后，在0～4 s之间电机直接起动，在4 s时将电阻切换掉，由直流电源给励磁绕组供电，经0.3 s转速逐渐提高到同步转速，进入同步运行阶段；在6 s时加入30 N·m负载，同时增大励磁电流，转速出现波动，0.6 s后逐渐稳定于同步转速。由图12可知，在6 s时突加负载，转矩突然增大，经过2 s后逐渐趋于平稳。

观察图13可知，电枢绕组相反电动势的波形为正弦，有效值为218.3 V。由图14可知，在0～4 s之间，随转速不断上升，励磁绕组反电动势幅值逐渐降低。4 s后由于转速逐渐趋于同步转速，反电动势逐渐趋于零；6 s时突加负载，导致其反电动势有一定波动，并随转速逐渐稳定而趋于零。负载稳定运行时SEEBSM的磁密分布如图15所示。

图15 负载运行时磁场密度分布

由图15可知，电机最大磁密为1.92 T，同样位于转子导磁层之间的连接筋处。对比图8可知，负载时铁心中主磁路的磁密与空载时相比有所提高，说明铁心材料得到充分利用，电磁设计合理。

当负载增大到50 N·m，保持励磁不变，转速随时间变化如图16所示。

图16 突加50 N·m负载转速随时间变化曲线

由图16可知，在6 s时突加50 N·m负载，转速急剧下降，说明能够带动30 N·m负载的励磁不足以带起更大的负载。在保证其他条件不变的情况下，增大励磁电流，转速变化如图17所示。

图17 增大励磁电流后转速随时间的变化曲线

由图17可知，增大励磁电流后，转速在6 s时开始波动，逐渐稳定在同步转速，说明调整励磁绕组中励磁电流的大小可以改善电机的带载能力。

5 结 语

本文提出了一种带磁阻转子结构的SEEBSM，阐述了其绕组转子、运行系统以及磁场调制机理，对其在空载和负载运行下电磁特性进行了仿真研究。结果可知，当空载起动时，调节励磁绕组串接电阻的阻值可以有效改善电机的起动性能；稳定运行后磁密最大处均位于磁阻转子导磁层之间连接筋处；突加负载转速逐渐平稳后，励磁绕组中的感应电动势逐渐趋于零，电枢绕组中感应电动势正弦度较好；调节励磁电流大小可以提高该电机的带载能力。本文的研究丰富了适用于定子电励磁无刷同步电机的转子拓扑结构，并为后续样机的研制提供了有利的数据支撑。