一种径向叠片磁障式转子双馈无刷电机的设计与性能分析

刘慧娟 Longya Xu

（1.北京交通大学电气工程学院 北京 100044 2.The Ohio State University Columbus 43202）

1 引言

双馈无刷电机（Doubly Excited Brushless Machine,DEBM）经历了级联感应电机（cascaded induction machine）[1]、 自级联式感应电机(self-cascaded induction machine)[1,2]和现代双馈无刷电机的发展历程。级联感应电机是将两台不同极数的绕线式感应电机转子机械上同轴而转子绕组电气串级连接，取消了转子上的电刷和集电环，实际是两台电机，它可以在一定范围内实现调速。将级联感应电机的两套定子绕组放置于同一个定子铁心中，并对转子进行特殊设计，与定子一起放置于同一机座内，使原来的两台电机变为同一机座内的一台电机，就形成了自级联式感应电机，在此阶段，人们仍然将其认为是在同一机座内的两台电机，因此对它的研究存在许多的局限。值得一提的是，Broadway对转子结构进行改进，提出了巢式回路笼型转子和凸极磁阻转子两种类型[3]，并推导了电机的稳态方程和等效电路，而且将其研究的电机命名为“Brushless Stator-Controlled Synchronous-Induction Machines”[4]。从20世纪80年代起，人们开始制造Broadway提出的DEBM原型电机[5]，但缺乏对电机在实际应用中的力能指标以及能耗效率的研究。20世纪90年代，随着现代电力电子技术的飞速发展，DEBM也进入了快速发展的时期，人们分别从路和场的角度研究不同转子类型DEBM的基本工作原理、运行特性、可能的控制方法和电机的工业应用等[6-19]，并发表了不少的研究论文。发现DEBM两套定子绕组具有与传统绕线式感应电机相似的自感特性、互感特性和绕组端部特性，其两套定子绕组分别相当于绕线式感应电机的定子绕组和转子绕组，电机可实现双馈无刷运行模式。在此期间，有各种不同转子类型的原型电机制成，但实验结果并不十分理想，主要原因是电机额定运行时的效率较低。

当前，随着自然资源的短缺和能源危机的出现，人们更加关注有潜力应用于变速驱动和变速恒频发电领域的DEBM。但要将DEBM从学术研究进入真正的工程应用，在电机设计与控制等方面还存在许多挑战，特别是与现在流行的有刷双馈感应电机相比，还必须圆满地解决以下几个问题：①如何进行电磁设计才能使DEBM实现最大转矩和最大功率密度；②适合DEBM系统的控制方法是什么；③如何提高DEBM的运行效率；④DEBM在设计与控制方面的局限有哪些。

本文从如何提高DEBM运行效率的分析入手，设计并试制了一台150kW/900r/min的径向叠片磁障式转子双馈无刷原型电机。首先分析了DEBM的工作原理，然后从如何提高DEBM运行效率和运行性能入手，对转子结构的选取及制造进行详细说明，并利用Ansoft软件对原型电机的空载和负载运行性能进行分析计算，包括电机空载和负载时的磁场分布、定子绕组的感应电动势波形、电磁转矩特性等，最后在实验室对原型电机进行了发电机运行状态的空载、双馈运行模式的实验测试，并将有限元计算结果与实验结果进行了对比分析。

2 DEBM 原型电机的设计

2.1 DEBM的工作原理

图1为DEBM变速驱动（或发电）的系统结构示意图，包括DEBM、双向整流逆变器和相关的控制器。DEBM定子上有两套独立的、极数不同的正弦分布绕组，与电网直接连接的定子绕组称为功率绕组，设其极数为2p，通过双向整流逆变器与电网间接连接的定子绕组称为控制绕组，设其极数为2q，转子极数为2pr，其结构通常有巢式回路笼型转子和磁阻式转子两大类，且

图1 DEBM 系统结构图Fig.1 Schematic diagram of the DEBM system

当在功率绕组（2p极）和控制绕组（2q极）中分别通入频率为f1和f2的三相对称正弦交流电流时，在气隙中将产生两个旋转转速为n1m=60f1/p和n2m=60f2/q的磁动势波，当电机定、转子极对数满足式（1）的约束，且电机转速nr与两套定子绕组的电流频率f1、f2满足式（2）的约束条件时，电机内部可以产生稳定的电磁转矩，实现机电能量的转换[6-7]。

式中，当两套定子绕组的电流同相序时取“+”，反相序时取“-”。

从式（2）可知，当电机处于电动状态运行时，可通过调节控制绕组的电流频率f2，实现电机的变速驱动；当电机处于发电状态运行时，可以通过调节控制绕组的电流频率f2，使功率绕组的频率f1保持不变，即不随转子转速nr的变化而变化，从而实现变速恒频发电运行。

DEBM具有多种运行模式，当控制绕组接电阻或直接短路、功率绕组接交流电源时，电机为异步运行模式；当控制绕组接直流电源（f2=0）、功率绕组接交流电源时，电机为同步运行模式，此时电机的转速nr0=60f1/pr为自然同步转速；当功率绕组接交流电源、控制绕组接频率可调的交流电源（f2≠0）时，电机为双馈运行模式，此时，当f2＞0（即两定子绕组电流同相序）时，电机转速nr=60(1+f2)pr大于自然同步转速nr0，为超同步运行方式；当f2＜0（即两定子绕组电流反相序）时，电机转速nr=60(1-f2)pr小于自然同步转速nr0，为亚同步运行方式。

2.2 DEBM 原型电机转子的设计

根据DEBM的基本工作原理可知，两套定子绕组之间的互感与绕组的匝数及磁路的磁导成正比，当将DEBM的定子绕组和定子铁心结构选择与传统交流电机的一样时，就只需要对转子结构进行设计了，因此，所设计转子的结构越好，其磁耦合能力越强时，两套定子绕组的互感就会越大，电机就能获得更大的电磁转矩。

对DEBM的研究已经表明，转子的结构型式直接影响其磁耦合能力的强弱，也直接影响两套定子绕组之间的互感值。对于巢式回路笼型转子[7,8]，其磁耦合能力较好，但在电机运行时，笼型转子导条中有电流流过，存在转子铜耗，降低了电机的效率。图2为三种巢式回路笼型转子结构展开图(其中转子巢数为4，转子导条数为20)。

图2 巢式回路笼型转子结构示意图Fig.2 Three types of nested-loop cage rotor

对于转子上没有绕组的磁阻转子，其磁耦合能力随结构的不同而不同，文献[6-9]的研究表明，常规凸极磁阻转子的磁耦合能力较带磁障的磁阻转子的磁耦合能力弱，而在磁障式磁阻转子结构中，磁耦合能力较强的是各向异性轴向叠片(Axially Laminated Anisotropic，ALA)磁阻转子[7,8]，但ALA磁阻转子存在以下两个缺陷：①由于ALA磁阻转子为轴向整体瓦片式结构，电机运行时，转子中会感应出涡流电流，因而有涡流损耗产生，对电机的效率有一定的影响；②转子中涡流的出现和流动，将影响转子的磁通路径，使转子中的磁力线路径发生畸变，从而进一步影响电机的运行性能。因此本文设计的DEBM的转子，采用磁耦合能力较强、且没有导条的转子，能最大程度消除转子涡流与涡流损耗，有效提高电机运行效率的径向叠片磁障式转子结构。

原型电机制造时采用厚0.35mm的硅钢片冲制成如图3所示的冲片，然后以平行于电机直径方向（即电机轴向）逐片叠压形成转子铁心。图3中深色条状为导磁层，相邻导磁层之间的磁障层可以是空气，也可以由其他非导磁材料填充，以加强转子的机械强度。根据1.5kW原型电机的设计经验，选择磁导层与磁障层的宽度比约为3:2。

图3 RLMB 转子冲片Fig.3 RLMB-rotor sheet

在转子的整体设计与制造过程中，还必须注意以下几点：

（1）除了转子的导磁层外，其余的部件和材料均不能具有导磁、导电的特性，否则，电机运行时，转子内部就可能有短路现象和流动的电流出现，流动的电流会使转子的磁通路径畸变，从而影响电机的功率密度、降低电机的运行效率。

（2）为了加强转子的机械强度，要求对转子铁心磁障层浇注具有很好机械强度且能耐高温的材料，如能耐高温的环氧材料等。

（3）由于转子铁心磁障层的整体浇注，使得转子铁心的散热效果减弱，因而，在设计和制造转子时，不允许转子中存在任何形式的电流，否则会增加转子的损耗和转子温升，降低电机的运行效率。该转子的详细制造已申请中国专利“双馈无刷电机转子及其制造方法”，专利申请号200910258117.9。

除了转子结构和叠片的型式直接影响电机的磁耦合能力的强弱外，文献[16]的研究还发现，不同定子绕组的极数配合，即不同的转子极数也影响电机磁耦合的强弱。文中作者利用有限元方法，研究了三种不同转子极数，即：①2p=2，2q=4，且2pr=6；②2p=2，2q=6 且2pr=8；③2p=4，2q=6 且2pr=10并对电机其他条件完全相同时电磁转矩的大小比较，发现转子极数为10 时电机的电磁转矩比其他两种情况的电机高50%。因此，本文设计的DEBM 选择转子的极数为10 极，最终设计的150kW/900r/min原型电机的主要参数见表1。

3 原型电机的有限元分析

利用 Ansoft 软件建立了原型电机的Maxwell 2D 有限元计算模型，分析了所设计原型电机的空载和负载时的磁场分布、定子绕组的感应电动势以及各种运行模式下的电磁转矩大小。建模时选择整个电机为求解区域。

表1 样机主要参数Tab.1 Main dimensions of the sample machine

图 4 为原型电机负载运行时的磁场分布示意图。图5 为原型电机负载时气隙磁通密度分布波形。

图4 负载时磁场分布Fig.4 Flux distribution of the prototype DEBM

图5 气隙磁通密度分布波形Fig.5 Air-gap flux density distribution when loaded

从图4 和图5 可知，电机运行时的磁场分布与气隙磁通密度分布都是不对称的，这与常规交流电机很不相同。经分析可知，励磁电流频率的变化和电机转速的变化只会影响磁动势的旋转方向和转速，并不影响磁场分布的特点，因此图4 和图5的负载磁场分布可代表任意频率励磁和电机任意转速时的磁场分布。

图6 为原型电机负载运行，6 极定子绕组加一定频率和一定大小的交流电流时，4 极定子绕组的感应电动势随转子位置变化的波形曲线。可见，虽然原型电机的磁场分布具有不对称的特性，且气隙磁通密度分布的正弦性也不好，但定子绕组的感应电动势（即感应电压）却具有较好的正弦性。这是因为通过转子磁路的耦合作用，电机两套定子绕组之间的互感与转子位置角成正弦规律变化，因此，当一套定子绕组中有电流激励时，另一套定子绕组中的互感磁链也必然具有正弦规律变化的特性，于是，从该套定子绕组中获得的感应电动势也必然具有正弦规律变化的特性，并且，两套定子绕组之间互感随转子位置变化的正弦性越好，则定子绕组感应电动势的正弦性也就越好。图7 为原型电机6 极定子绕组交流电流激励时，4 极定子绕组的互感磁链随转子位置角变化的曲线，具有很好的正弦性。

图6 4 极定子绕组感应电动势波形Fig.6 The waveforms of induced voltages of 4-pole windings

图7 4 极定子绕组互感磁链波形Fig.7 The waveforms of mutual flux linkage of 4-pole windings

利用Ansoft 模型计算了原型电机的空载特性曲线（参见图10 中所示的有限元计算曲线），可见，当励磁电流为95A 时，原型电机的磁路开始进入饱和。

图8 为有限元计算的原型电机的电磁转矩特性曲线（n=600r/min），从图中可发现，原型电机具有与常规同步电机相似的转矩特性，因此在电机运行时，可以通过采用适当的控制方法，如定子磁场定向矢量控制技术、有功电流/无功电流解耦闭环控制方法等来灵活控制电机电磁转矩的大小，并实现有功功率和无功功率的灵活调节（有关原型电机系统所采用的具体控制方法将在后续的论文中详细说明）。

图8 转矩特性曲线Fig.8 Torque characteristic of the prototype DEBM

4 原型电机的实验

在实验室对原型电机进行了空载特性曲线测试和作为发电机运行的负载并网实验测试。图9 为原型电机及实验系统的照片。

图9 原型电机照片Fig.9 Pictures of the prototype DEBM

4.1 空载特性曲线测定实验

用原动机将原型电机（作为发电机运行）拖动至其自然同步转速（600r/min）并保持不变，原型电机的2q极定子绕组通过机侧变流器为发电机提供励磁，2p极定子绕组开路，当调节2q极定子绕组励磁电流I0从0 逐渐增大时，测定2p极定子绕组相应的空载端电压U0，则U0与I0的关系曲线即为电机的空载特性曲线。图10 为该原型电机空载特性曲线的有限元计算结果与实验结果的比较（有限元计算的条件是2p极定子绕组开路，在2q极定子绕组加电流源激励，改变激励电流的幅值，即可计算得到相应的2p极定子绕组开路电压），实验结果与有限元计算结果吻合很好，表明所制造原型电机的空载性能指标达到了设计的预期目标。

图10 空载特性曲线Fig.10 No-load magnetizing curve

4.2 负载并网实验

将原型电机的2p极定子绕组接电励网，2q极定子绕组通过机侧变流器为发电机提供励磁，起动原动机使发电机进行变速负载并网实验，并确保原型发电机定子功率绕组满足并网条件，原型电机实验系统如图11 所示。

图11 原型电机实验系统Fig.11 DEBM experiment system

实验时，电网电压有效值为412V，原型电机为超同步发电运行模式，电机转速高于其自然同步转速600r/min，实验时转速最高接近1 100r/min，因此机侧逆变器的频率与转速一致在0～41.67Hz 之间可调。为测定所试制原型电机的效率，需要测定电机的输入有功功率和输出有功功率，无刷双馈发电机的输入有功功率通过扭矩仪测定原动机的转矩与转速计算得到，无刷双馈发电机的输出有功功率分别在数据采集点1（整个电机系统的输出端）和数据采集点2（原型发电机功率绕组的输出端）进行了电压波形、电流波形以及功率的测试。

在数据采集点1 利用示波器波形测试法和两功率表法分别测试记录了整个电机系统输出端的电压波形、电流波形和功率值，通过测定的电压波形、电流波形以及它们之间的相位差计算出系统的输出有功功率、利用功率表法测定的系统输出有功功率数据见表2。其中电机输入有功功率为通过扭矩仪测定原动机转矩与转速计算得到。当控制器电流给定irq=-0.3 和irq=-0.5 时整个电机系统输出端（数据采集点1）的电压、电流波形分别如图12a 和12b所示。表中电流给定值为预先给定的电机有功电流与无功电流的比值，无单位，其取值范围为-1～1。

负载实验时环境温度为17℃，额定功率运行3小时后定子绕组温度为32℃，电机噪声为101dB。

表2 数据采集点1 测试数据Tab.2 Test data of point #1

图12 数据采集点 1的电压和电流波形Fig.12 Waveforms of the point 1

由表2可知，在数据采集点1，两种测试方法所测试的数据比较一致，通过测试数据所计算的整个电机系统（包括调压器、逆变器和滤波电感等）的效率也很一致，均大于92%，若计及调压器效率（按98%计）和逆变器效率（按98%计）等，则原型电机本体的效率可达95%。表明所设计的径向叠片磁障式转子双馈无刷原型电机达到了预期的设计目标，能实现高效运行，同时还表明原型电机转子的制造工艺合理、可行，更重要的是表明所设计的径向叠片磁障式转子双馈无刷电机在工程上是可制造、可实现的。

上述实验数据采集的同时，在数据采集点2利用示波器测试了无刷双馈发电机功率绕组输出端的电压波形和电流波形，从中得到电压、电流有效值，以及功率因数数据，并由此计算出电机功率绕组输出有功功率值见表3。当控制器电流给定irq=-0.3和irq=-0.5时无刷双馈发电机功率绕组输出端（数据采集点2）的电压、电流波形分别如图13a和13b所示。

表3 数据采集点2 测试数据Tab.3 Test data of point #2

图13 数据采集点 2的电压和电流波形Fig.13 Waveforms of the point 2

从表3还发现，由于原型电机采用有功电流/无功电流解耦闭环控制方法，因此当调整控制器的电流给定为不同值，即改变电机有功电流与无功电流的比值时，电机的功率因数相应变化，且随有功电流比值成分的增大而增大，因此，对该原型电机可以实现有功功率和无功功率的灵活调节，甚至可实现功率因数等于1的运行（此时电流给定为+1或-1）。这对于变速恒频的风力发电系统非常适用（有关该原型电机系统有功功率与无功功率的调节控制将在后续论文中详细说明）。

5 结论

本文从如何提高DEBM 运行效率和运行性能的分析入手，对转子结构的选取和制造进行详细说明，利用Ansoft 软件对所设计原型电机的空载和负载运行性能进行分析计算，并将有限元计算结果与试制的150kW/900r/min 径向叠片磁障式转子双馈无刷风力发电机的原型电机的实验结果进行对比分析，实验结果显示，原型电机整个系统的运行效率可达92%以上，电机本体的效率可达95%。有限元计算与实验研究表明所设计的径向叠片磁障式转子双馈无刷原型电机达到了预期的设计目标，能实现高效运行，同时还表明原型电机转子的制造工艺合理、可行，更重要的是表明所设计的径向叠片磁障式转子双馈无刷电机在工程上是可制造、可实现的。

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