磁障转子无刷双馈电机

张 岳 王凤翔 邢军强 Milutin Jovanovic David Atkinson

(1.沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870 2.诺桑比亚大学计算、工程与信息科学学院 纽卡斯尔 NE1 8ST 3.纽卡斯尔大学电气、电子与计算机工程学院 纽卡斯尔 NE1 7RU)

1 引言

无刷双馈电机的定子铁心上嵌有两套不同极数的绕组，分别用作功率绕组和控制绕组，转子为无刷结构，通过转子对定子两套绕组电流产生磁场进行调制，实现机电能量转换。在电动运行方式下，可异步运行和同步运行，并可通过改变控制绕组电流的频率、幅值和相位，实现低于和高于同步速的双馈调速运行。在发电运行方式下，则可通过控制绕组的交流励磁实现变速恒频运行[1,2]。由于控制绕组所需要的变流器功率较小和控制系统成本较低，无刷双馈电机在大中型交流电机调速系统和变速恒频发电系统中具有良好的应用前景[3-5]。特别是近年来，随着兆瓦级变速恒频风力发电系统中有刷结构双馈电机故障率的增多，人们对双馈电机的无刷化充满期待，从而推动了无刷双馈电机在变速恒频风力发电系统的应用研究。

由于无刷双馈电机的机电能量转换是基于转子对定子上不同极数的功率绕组和控制绕组电流磁场的调制作用来实现的，因此，如何优化转子结构设计提高其磁场调制能力成为无刷双馈电机设计的关键技术。无刷双馈电机的转子对于定子绕组电流产生磁场的调制作用主要有两种方式：一种是通过转子绕组的感应电流产生磁场对定子绕组电流磁场的反作用；另一种是通过转子铁心的磁路结构限定定子绕组电流磁场在转子铁心中的路径。由此产生了两类不同的无刷双馈电机转子结构：一是基于转子电路设计的具有短路绕组的转子；二是基于转子磁路设计的磁阻转子[6,7]。

无刷双馈电机的转子绕组有多种形式，可以采用单层同心式笼型短路绕组[8,9]，也可采用特殊设计的双层绕组[10]。英国剑桥大学的Roberts等人对四种结构转子绕组（特殊设计的单层和双层短路绕组）的无刷双馈电机进行了对比分析和实验研究[11]。具有短路绕组的无刷双馈电机转子的优点是可采用与传统感应电机相类似的制造工艺，缺点是转子绕组电流会产生损耗。

无刷双馈电机磁阻转子一般有三种结构：在叠片转子铁心上开槽的凸极磁阻转子[12,13]；采用轴向叠片各向异性的ALA（axially laminated anisotropic）隐极磁阻转子[14,15]；径向叠片隐极磁阻转子[16,17]。磁阻转子的优点是转子没有绕组电流损耗，缺点是轴向和径向叠片的隐极转子制造工艺复杂。普通开槽的凸极磁阻转子虽然结构简单易于制造，然而其对于定子绕组电流磁场的调制能力较差。

本文旨在寻求一种便于加工制造而又性能良好的无刷双馈电机的新型转子结构，通过在凸极磁阻转子铁心中适当地加入磁障，增加磁阻转子对定子绕组电流磁场的调制能力，同时又可保持其结构简单、成本低廉的优点。

2 不同磁阻转子结构对于电磁转矩的影响

无刷双馈磁阻电机的转子有多种结构型式，而具有代表性的是如图1 所示开槽的凸极磁阻转子和轴向叠片各向异性的隐极磁阻转子（ALA 转子）。径向叠片隐极磁阻转子在转子磁路结构上与 ALA转子相似。

由图1 所示可以看出，凸极磁阻转子结构简单便于制造，而ALA 转子的结构十分复杂难以加工，那么这两种磁阻转子无刷双馈电机的性能相差有多少呢？表1 为采用场路耦合有限元法计算的同一定子（6 极功率绕组和2 级控制绕组）、相同气隙和转子外径的两种磁阻转子无刷双馈电机在500r/min 运行时的电磁转矩对比，可以看出ALA 转子的电磁转矩是凸极转子的4 倍。ALA 转子之所以能比普通凸极磁阻转子无刷双馈电机电磁转矩提高如此之多，可以从图2 所示两种转子电机的磁场对比来说明。

图1 两种典型磁阻转子结构Fig.1 Two typical reluctance rotors

表1 两种磁阻转子无刷双馈电机电磁转矩的对比Tab.1 Comparison of electromagnetic torque for BDFM with two different reluctance rotors

图2 两种磁阻转子无刷双馈电机的磁力线分布对比Fig.2 Comparison of flux line distribution for BDFM with two different reluctance rotors

根据磁场调制无刷双馈电机的工作原理，6 极功率绕组和2 极控制绕组的无刷双馈电机的等效磁场极数应为8 极，如图2b 所示ALA 转子电机的磁力线分布。而图2a 所示凸极磁阻转子电机的磁力线分布不像8 极磁场而更像4 极磁场，这是由于凸极磁阻转子对定子上的6 极功率绕组和2 极控制绕组电流磁场的调制力度不够所导致的。要想使转子中的磁场呈现8 极，可以采用类似于ALA 转子的结构，使凸极转子铁心中的磁力线从凸极的中间分开，强迫它们分别从每个凸极的两侧进入相邻凸极。由此产生一种在凸极中间加入磁障限定转子磁通路径的磁障转子结构，使其增强对于定子绕组磁场的调制作用，而又不失凸极磁阻转子结构简单便于制造的优点。

3 磁障转子无刷双馈电机的设计

3.1 磁障数量与结构对电磁转矩的影响

为了研究在凸极上加入磁障的数量和形状对电磁转矩的影响，在相同电机结构尺寸和运行条件下，利用场路耦合瞬态时步有限元法，对比分析了图3所示四种不同磁障结构无刷双馈电机的性能。

图3 不同磁障转子的无刷双馈电机结构Fig.3 Structures of BDFM with different magnetic barrier rotors

不同磁障数量与结构对电磁转矩的影响如图4所示，图中还给出了在相同结构尺寸和运行条件下，磁障转子与图1 所示不加磁障的普通凸极磁阻转子和ALA 转子无刷双馈电机电磁转矩的对比。图3a所示每极插入一条磁障的转子，在相同运行条件下，其电磁转矩为图1a 凸极转子电磁转矩的1.85 倍；图3b 所示每极插入三条磁障转子为凸极转子电磁转矩的2.12 倍；图3c 所示磁障转子为凸极转子电磁转矩的2.55 倍；而图3d 所示磁障转子为凸极转子电磁转矩的3.02 倍，已达到ALA 转子电磁转矩的75%以上。

图4 磁障数量与结构对于电磁转矩的影响Fig.4 Influence of flux barrier’s number and structure on electromagnetic torque

图3b、3c 和3d 虽然每极都是三条磁障，但磁障的形状有所不同。图3b 和3c 中转子大槽底部的两条磁障没有连在一起，两者之间的距离图3b 大于图3c。图3d 中不仅转子大槽底部的两条磁障连在一起，而且极中间的磁障直通转轴，其磁障结构更加接近于图1b 所示的ALA 转子。显然，磁障数越多和磁障形状越复杂，转子对定子绕组电流磁场的调制作用越好。图1b 所示的ALA 转子，相当于每极有9 条磁障，故其性能较好。然而，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亦随之增加。

3.2 磁障宽度和深度对电磁转矩的影响

除了转子磁障的数量和结构形状外，磁障的宽度和深度对无刷双馈电机的性能也有较大的影响。以图5 所示在每个凸极中间仅加入一条磁障的转子为例，对比分析磁障宽度和深度对电磁转矩的影响。磁障宽度用图5 中的b表示。磁障深度不用磁障的长度而用磁障底部与转子铁心内表面之间的距离d来表示，因为它更能反映磁障深度对转子磁通路径的影响。

图5 单条磁障的宽度和深度Fig.5 Width and depth of the magnetic barrier

磁障宽度对电磁转矩的影响如图6 所示。可以 看出，随着磁障宽度的增加，磁障对转子磁通路径的导向作用增加，因而电机的输出电磁转矩也随之增加。然而磁障宽度的增加，使转子齿的截面积减小导致齿部磁通密度的增加，因而磁障宽度不可过大，否则会导致转子齿部磁通密度过大而使磁路过度饱和，因此只能在转子磁路饱和程度允许的范围内适当增加转子磁障的宽度。

图6 磁障宽度对于电磁转矩的影响Fig.6 Influence of magnetic barrier’s width on electromagnetic torque

转子磁障深度对电磁转矩的影响如图7 所示。可以看出，随着图5 所示转子磁障d值的增加，电磁转矩显著减小，说明磁障底部与转子铁心内表面之间的距离越小越好，最好是极中间的磁障直通转轴。

图7 磁障深度对于电磁转矩的影响Fig.7 Influence of magnetic barrier’s depth on electromagnetic torque

3.3 转子极弧系数对电磁转矩的影响

如何选取磁阻转子凸极齿部宽度和槽部宽度的比例，使齿部磁路不过度饱和而又可产生较大的凸极磁阻转矩，是磁阻转子电机设计的关键技术之一。凸极宽度与槽部宽度的比例关系，通常采用极弧系数（凸极顶部所占转子外圆极弧宽度与两个凸极之间的极弧宽度之比）来表示。

在转子每极单磁障尺寸不变和运行条件相同情况下，通过场路耦合有限元计算的极弧系数对电磁转矩的影响如图8 所示。可以看出，随着极弧系数的增加，电机输出的电磁转矩随之减少。然而，极弧系数也不可过小，否则会导致转子齿部磁通密度过大而使磁路过度饱和。

图8 极弧系数对于电磁转矩的影响Fig.8 Influence of pole-arc coefficient on electromagnetic torque

4 磁障转子无刷双馈电机样机的实验研究

为了验证本文所述磁障转子无刷双馈电机的可行性和设计方法的有效性，设计并研制了一台磁障转子无刷双馈试验样机。样机定子具有两套独立绕组，功率绕组为6 极，控制绕组2 为极。转子极弧系数为0.4，每极仅有一条如图5 所示的磁障，磁障宽2.5mm，磁障底部与转子铁心内表面之间的距离为 4.5mm，定子铁心内、外径分别为 170mm 和290mm，气隙为0.4mm。

磁障转子无刷双馈电机样机试验研究采用发电机运行方式，试验系统原理框图如图 9 所示。由PWM 变流器Ⅰ供电的感应电动机作为原动机，驱动磁障转子无刷双馈电机作为发电机运行，其控制绕组由PWM 变流器Ⅱ供电，功率绕组输出接可调负载电阻。

图9 无刷双馈电机试验系统原理框图Fig.9 Schematic diagram of experimental system for BDFG

磁障转子无刷双馈电机试验样机的同步转速为750r/min。样机在低于和高于同步速且不同转速（500r/min、600r/min、900r/min 和1 000r/min）下作变速恒频发电机运行时，功率绕组输出功率与控制绕组电流的关系曲线如图10 所示。可以看出，当转速不变时，功率绕组输出功率随着控制绕组电流的增加而增加；在控制绕组电流不变时，不同转速下功率绕组的输出功率相差不大。

图10 不同转速和控制绕组电流下功率绕组的输出功率试验曲线Fig.10 Tested output powers of power winding for different speeds and control winding currents

磁障转子无刷双馈发电机在低于同步速 500 r/min 运行时负载特性试验值与设计仿真值的对比如图11 所示。样机在高于同步速1 000r/min 作变速恒频发电机运行时功率绕组线电压和控制绕组线电流测试波形与仿真结果的对比如图12 所示。通过图11 和图12 可以看出，不同转速下的功率特性和电压与电流波形的测试结果，与基于场路耦合的仿真结果吻合较好。

图11 500r/min 发电机运行不同控制绕组电流下功率 绕组输出功率试验与仿真值对比Fig.11 Comparison of tested with simulated output powers of power winding for different control winding currents at 500r/min

图12 功率绕组线电压和控制绕组电流试验与仿真波形对比（1 000r/min，控制绕组电流23.6A）Fig.12 Comparison of tested with simulated voltage of power winding and current of control winding at 1 000r/min and control winding current of 23.6A

5 结论

基于以上对磁障转子无刷双馈电机的理论分析和实验研究，可以得出如下结论：

（1）在电机结构尺寸相同情况下，通过在凸极磁阻转子铁心中适当加入磁障，可以有效地改善磁阻转子无刷双馈电机的性能，并保持其磁阻转子结构简单和成本低廉的优点。

（2）极弧系数、磁障数量和结构尺寸对于电机的性能有重要的影响，在转子磁路不饱和的情况下，适当减小极弧系数和增加磁障数量及宽度，有利于提高电机的出力。

（3）样机试验不仅验证了磁障转子无刷双馈电机设计方法的有效性，而且能够在高于和低于同步速下实现变速恒频运行，可用于电机调速系统和变速恒频风力发电系统。

[1]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.

[2]邓先明.无刷双馈电机的电磁分析及设计应用[M].北京:机械工业出版社,2010.

[3]Milutin G Jovanovic,Robert E Betz,Jian Yu.The use of doubly fed reluctance machines for large pumps and wind turbines[C].IEEE Industrial Automation Society Annual Meeting Conference Record,2001,4:2318-2325.

[4]McMahon R A,Roberts P C,Wang X,et al.Performance of BDFM as a generator and motor[J].IEE Proceedings of Electric Power Applications,2006,153(2):289-299

[5]张凤阁,王惠军,佟宁泽,等.新型无刷双馈变速恒频风力发电系统的建模与数字仿真[J].太阳能学报,2005,26(5):660-664.Zhang Fengge,Wang Huijun,Tong Ningze,et al.Modeling and simulation of variable speed constant frequency wind power generating system with doubly-ffd brushless generator[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2005,26(5):660-664.

[6]Wang Fengxiang,Zhang Fengge,Xu Longya.Parameter and performance comparison of doubly fed brushless machine with cage and reluctance rotors[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2002,38(5):1237-1243.

[7]张凤阁,王凤翔,王正.不同转子结构无刷双馈电机稳态运行特性的对比实验研究[J].中国电机工程学报,2002,22(4):52-55.Zhang Fengge,Wang Fengxiang,Wang Zheng.Comparative experiment study on the performance of brushless doubly-fed machine with different rotor structures[J].Proceedings of the CSEE,2002,22(4):52-55.

[8]刘宪栩,章玮.笼型无刷双馈电机转子的优化设计与有限元分析[J].微电机,2007,40(1):20-21.Liu Xianyu,Zhang Wei.Optimal design and FEM analysis of brushless doubly-fed machine with rage rotor[J].Micromotor,2007,40(1):20-21.

[9]邓先明,姜建国,方荣惠.笼形转子无刷双馈电机的电磁分析和等效电路[J].电工技术学报,2005,20(9):19-23.Deng Xianming,Jiang Jianguo,Fang Ronghui.Electromagnetic analysis and equivalent circuit of brushless doubly-fed machine with cage rotor[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2005,20(9):19-23.

[10]王雪帆.一种转子绕组采用变极法设计的新型无刷双馈电机[J].中国电机工程学报,2003,23(06):108-111.Wang Xuefan.A new brushless doubly-fed machine with a wound-rotor changing-pole winding[J].Proc-eedings of the CSEE,2003,23(06):118-111.

[11]Roberts P C,McMahon R A,Tavner P J,et al.Equivalent circuit for the brushless doubly fed machine(BDFM)including parameter estimation and experimental verification[J].IEE Proceedings of Electric Power Applications,2005,152(4):933-942.

[12]Schulz E M,Betz R E.Optimal rotor design for brushless doubly fed reluctance machines[C].IEEE Industry Applications Conference Record,2003,1:256-261.

[13]Schulz E M,Betz R E.Optimal torque per Amp for brushless doubly fed reluctance machines[C].IEEE Industry Applications Conference Record,2005,3:1749-1753.

[14]Xu Longya.Analysis of a doubly-excited brushless reluctance machine by finite element method[C].IEEE Industry Applications Society Annual Meeting Record,1992,1:171-177.

[15]张凤阁,王正,王凤翔.ALA 转子无刷双馈风力发电机的参数计算方法与转子制造工艺探讨[J].太阳能学报,2002,23(4):498-503.Zhang Fengge,Wang Zheng,Wang Fengxiang.Study on the parameter calculation method and the rotor craftwork of the doubly-fed brushless wind-power generator with ALA rotor[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2002,23(4):498-503.

[16]刘慧娟.径向叠片磁障式转子双馈无刷电机的研究[D].北京:北京交通大学,2010.

[17]张千,刘慧娟,赵铮.径向叠片磁阻转子无刷双馈电机有限元分析[J].微特电机,2010(1):18-20.Zhang Qian,Liu Huijuan,Zhao Zheng.Finite element analysis and research of brushless doubly fed machine with radial laminated reluctance rotor[J].Small & Special Electrical Machines,2010(1):18-20.