无刷双馈电机复合转子结构参数的优化设计

张凤阁 王秀平,2贾广隆 金 石

（1.沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870 2.沈阳工程学院电力学院 沈阳 110136）

1 引言

无刷双馈电机（Brushless Doubly Fed Machine,BDFM）是一种新型交流电机，可以实现自起动与异步运行、同步和双馈等多种运行方式，具有结构简单、无刷可靠、功率因数可调，所需要变频器容量较小等优点，特别适合做成多极数电机，在交流调速和变速恒频发电领域具有广阔的应用前景[1-3]。近几年，国内外学者对BDFM的本体结构、参数计算、稳定性分析和智能控制方法[4-6]进行了较为深入的研究，在产业化进程中取得了较大进展。

BDFM定子上嵌有极数不同的两套绕组，一套为功率绕组，运行时与电网直接相连；另一套为控制绕组，运行时通过变频器与电网相连。BDFM两套定子绕组通过特殊转子的磁场调制作用进行耦合，转子在BDFM运行中起着“极数转换器”的作用，其性能好坏直接影响着BDFM功率密度和效率。因此，BDFM转子结构的设计成为国内外学者们的研究热点之一。

BDFM的转子类型主要分为：笼型转子、磁阻转子、绕线转子等。笼型转子中的转子导条产生感应电流，该电流与定子绕组产生的磁场相互作用来完成机电能量转换。英国剑桥大学的 Roberts对比分析了单层和双层短路笼型转子绕组，并进行了实验研究[4]；中国矿业大学邓先明等对笼型电机的电磁关系和运行规律进行了深入研究[7,8]。笼型转子的优点是可采用类似传统感应电机的转子制造工艺，缺点是笼条中的电流产生了损耗，且耦合能力也不够理想。磁阻转子则是依靠气隙磁导不同进行磁场调制的，转子上不存在电流，因此不存在转子铜耗。磁阻转子主要有三种结构：普通凸极磁阻转子[9]、各向异性轴向叠片磁阻转子[10]。普通凸极转子制造工艺简单，但是磁场调制能力较差，各向异性轴向叠片磁阻转子提高了磁场调制能力，但制造工艺复杂。基于“变极法”和“齿谐波法”[11]，华中科技大学提出了一种新型绕线转子结构，克服了笼型转子导体利用率低、谐波含量大的缺点，能够对转子导条“重复利用”。但是该转子绕组的制造工艺复杂，设计灵活性受到限制。

基于上述转子存在的问题，本文提出了一种便于加工制造同时具有优良性能的隔磁磁障和短路笼条相结合的复合转子结构。该种转子的结构特点为：在径向叠片磁阻转子铁心中加入磁障层，并在构成的磁障式磁阻转子中加入短路笼条，两个端部分别短路连接。借助有限元分析软件，对转子进行优化设计，通过对比分析得到具有较强的磁场调制能力的转子结构，并研制一台120kW样机进行实验验证。

2 BDFM样机参数和体现耦合能力的关键因素

为了进行转子的优化设计，本文采用的方法是在定子结构和运行条件保持不变的情况下，改变转子的结构尺寸或参数，通过对比，分析不同转子参数下的磁场调制能力，以确定转子结构形式及尺寸。BDFM样机的主要参数见表1。

BDFM是通过气隙磁场中的有用谐波来完成机电能量转换的。因此只要保证其它条件相同，通过对具有不同转子类型、结构和尺寸的BDFM气隙磁场中的有用谐波和无用谐波含量进行对比分析，便可比较出不同转子的耦合能力。本论文研究的BDFM极数为8/4，因此气隙磁场中的4次谐波和2次谐波为实现机电能量交换的有用谐波，其它次谐波均为不参与能量转换的无用谐波。利用有限元分析法，先对8极绕组单独激励，分析通过转子的磁场耦合作用，产生的 2次谐波(对应 4极)含量和其它次无用谐波的含量，然后对4极绕组激励，分析气隙磁场中4次谐波（对应8极）和其他次无用谐波的含量，来比较转子的磁场耦合能力。有用谐波含量高，同时无用的谐波含量越低，也就增大了交轴磁阻且减小了直轴磁阻，凸极效应更明显，转子的耦合能力因而就越强[12]。

表1 无刷双馈电机主要参数Tab.1 The main parameters of the brushless doubly fed machine

3 BDFM不同转子耦合能力对比

采用有限元分析法，研究BDFM不同类型转子的耦合能力。图1分别给出了笼型转子、普通凸极转子、磁障式磁阻转子和复合转子的有限元模型。图1d显示的即为本文提出的复合转子。

对图1所示的四种不同类型转子BDFM分别进行单边激励，并进行磁场计算和气隙磁通密度分析，得到它们的谐波含量如图2所示，其中将笼型转子、凸极磁阻转子、磁障式磁阻转子和复合转子依次命名为类型代号 1、2、3和 4。可以看出，不管是 8极功率绕组单独激励，还是4极控制绕组单独激励，转子 1、2、3、4气隙磁场中的有用谐波(4次和 2次谐波)的含量依次增大，而对机电能量转换无用的高次谐波含量依次减小，具有明显的规律性，因此上述四种转子的磁场耦合能力是依次增强的，所提出的复合转子的耦合能力最强。

图1 四种不同类型转子的有限元模型Fig.1 Four different rotor FEA models

图2 四种不同转子的耦合能力Fig.2 Coupling capability of four rotors

4 BDFM新型复合转子的优化设计

4.1 极弧系数对BDFM耦合能力的影响

极弧系数的大小影响气隙磁通密度的谐波含量和饱和程度，因而对转子的耦合能力有重要影响。本文以普通凸极转子为例，探讨极弧系数的选择依据。建立极弧系数分别为0.3、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75等情况下的 BDFM 有限元分析模型，并进行有限元分析。当功率绕组（8极）单独激励时，对气隙磁通密度进行频谱分析，分析所产生的2次谐波和4次谐波的大小；同理，分析当控制绕组（4极）激励时，对气隙磁通密度进行频谱分析，分析所产生的4次谐波和2次谐波的大小，从而获得极弧系数的取值范围。

极弧系数对气隙磁通密度有用谐波的影响如图3所示。可以看出，功率绕组单独激励时，随着极弧系数逐渐增大，4次谐波逐渐增大，而2次谐波逐渐减小；控制绕组单独激励时，随着极弧系数的逐渐增大，2次谐波逐渐增大，4次谐波逐渐减小；两套绕组共同励磁时，随着极弧系数的增大，对机电能量交换有用的4次和2次谐波均增大，当极弧系数大于0.73时，气隙磁通密度有用次谐波开始下降，因此从有效谐波的角度来看，极弧系数的取值范围应为0.68~0.73，但考虑到加入磁障后带来的饱和影响，极弧系数应大于0.7，即极弧系数的合理取值范围为0.7～0.73。

图3 极弧系数对气隙磁通密度有用谐波的影响Fig.3 Effect of pole arc factor on air-gap flux density effective harmonics

4.2 磁障式磁阻转子导磁层数对BDFM耦合能力的影响

磁障式磁阻转子导磁层数对磁场调制作用的影响很大，合理的选取导磁层数也是提高磁场调制能力的重要因素。建立导磁层数为1～6的BDFM有限元模型，进行磁场分析，对不同导磁层数的BDFM进行单边励磁，计算气隙磁场谐波，其结果见表2。

表2 转子导磁层数对耦合能力影响Tab.2 Effect of rotor magnetic layer numbers on coupling capability

从表2可以看出：随着导磁层和隔磁层数的增加，无论是8极激励还是4极激励，产生的有用谐波（2次和 4次）含量均得到了提高，因此，导磁层和隔磁层数越多，磁场调制效果就越好。当然在计算过程中也要兼顾转子的饱和情况。当导磁层数大于4层后，磁场调制能力的改善情况明显趋缓，考虑到制造成本，层数越多，成本会明显增大，因此转子的导磁层数选定为3～4层。

4.3 磁障式磁阻转子导磁层与非导磁层宽度比对BDFM耦合能力的影响

磁障式磁阻转子的非导磁层能够促使磁通沿着有利于机电能量转换的路径流通。导磁层与非导磁的宽度比也影响着磁场调制能力。以4层导磁层为例，导磁层与非导磁宽度比依次选取为 1:1、3:2、2:1和4:1，分别进行有限元分析和计算，得到转子导磁层与非导磁层宽度比对耦合能力的影响见表3。

表3 导磁层与非导磁层宽度比对耦合能力的影响Tab.3 Effect of magnetic and non-magnetic layer ratio on coupling capability （%）

从表3可以看出：无论是8极绕组单边激励，还是4极绕组单边激励，所产生的4次和2次谐波占各次谐波均方根值百分比均在导磁层与非导磁层宽度为 2:1处获得最大值，即在导磁层与非导磁宽度比为2:1时候获得了最佳的磁场调制能力。因此，根据计算结果，选择导磁层与非导磁层宽度比为2:1。

4.4 有无公共笼条对BDFM耦合能力的影响

图1c为磁障式磁阻转子，在其凸极中心线处开槽并放置短路笼条，然后两端分别短路连接，便形成了只有公共笼条的复合转子，如图1d所示。进行有限元法分析时，由外电路施加交流电压源，并在外电路中对公共笼条进行设置，使转子转速恒定，电机处于发电机运行，即采用了场路耦合瞬态有限元分析方法，得到两套定子绕组分别单独励磁时气隙磁通密度的谐波分布情况，以便对复合转子的耦合能力进行分析和研究。

图4a和4b分别给出了磁障磁阻转子和复合转子 BDFM 单边绕组励磁时气隙磁通密度的谐波分量，当8极绕组单独激励时，磁障式磁阻转子和复合转子BDFM，所产生的2极谐波所占基波的比值，由60%增加到66%；当4极绕组单独激励时，磁障式磁阻转子和复合转子BDFM，产生的4次谐波所占基波的比值由110%增加到123%，因此，当加入公共导条之后，转子的磁场耦合能力提高了10%左右。

图4 BDFM单边绕组激励时气隙磁通密度的频谱图Fig.4 The air-gap flux density spectrum charts of BDFM under different single excitation

4.5 短路笼条组数对BDFM耦合能力的影响

采用场路耦合有限元分析法，分别对公共笼条、公共笼条加一组短路笼条、公共笼条加两组短路笼条条，及公共笼条加三组短路笼条等四种情况进行分析计算，其有限元模型和短路笼条示意图如图5所示。计算得到气隙磁通密度，其变化规律见表4。

图5 不同组数短路笼条复合转子BDFM有限元模型和短路笼条示意图Fig.5 Integrated rotor BDFM construction while adding to different groups short-circuit ring and diagram of short-circuit ring

从表4可以看出，当增加短路笼条组数时，无论是8极绕组单边激励，还是4极绕组单边激励，有用谐波占基波的比值均呈增大趋势，说明了短路笼条提高了转子的耦合能力，但是，提高的程度并不大，而且考虑到样机的加工制造成本，每增加一组短路笼条，将使制造费用大幅增加，因此，本文研制的样机转子仅加入公共笼条。

表4 短路笼条组数对BDFM磁场耦合能力影响(比值)Tab.4 Effect of short-circuit ring number on coupling capability

4.6 公共笼条层数对BDFM耦合能力的影响

对于加入一组公共短路环构成的复合转子，公共笼条的层数对BDFM的耦合能力也产生影响，这是因为BDFM在运行时转子频率远高于普通异步电机的转子频率，因此转子笼条中存在“趋肤效应”的影响。公共笼条设计为1层时，笼条中的电流集中分布在笼条顶部，限制了电流的增大，因而减低了笼条对BDFM耦合能力和输出转矩的贡献。公共笼条分别设计为1层、2层、3层和4层，有限元模型如图6所示。设计为多层时，各层分别单独在两个端部短接，层与层之间添加绝缘，互不影响。进行有限元计算，计算结果见表5。

图6 公共笼条层数不同时的BDFM有限元模型Fig.6 BDFM finite element modules under short-circuit cage conductor layers

表5 公共笼条层数对耦合能力的影响（比值）Tab.5 Effect of short-circuit cage conductor layer numbers on coupling capability

表5显示了8极功率绕组和4极控制绕组单边激励时，有用谐波占基波的比值。可以看出，增加公共笼条的层数，将削弱公共笼条感应电流的“趋肤效应”的影响，增强转子的极数转换器作用，进而增强了BDFM复合转子的耦合能力。

5 样机加工与实验验证

研制 120kW 隔磁磁障和短路笼条复合转子BDFM样机，制造了复合转子和磁障式磁阻转子两个不同类型的转子和一个公共定子，电机如图7a所示。图7b为复合转子BDFM的三维结构图。

对所研制的样机进行了初步实验，在给定频率发生突变时，复合转子BDFM的转速迅速地跟随变化，具有较强的抗失步能力和动态调整能力。

图7 无刷双馈电机样机Fig.7 Brushless doubly fed machine

为了通过实验对复合转子和磁障式磁阻转子的耦合能力强弱进行分析和比较，使BDFM作电动机运行，在不同转速下，分别对两种转子BDFM输出功率进行测量和分析，进而比较两种转子的耦合能力。

磁障式转子BDFM的功率绕组接690V、50Hz正弦交流电，控制绕组短路，电机异步起动。起动完成后，将控制绕组切换至直流电励磁，电机嵌入同步运行状态，此时电机转速为500r/min。逐步增大负载，记录电机运行所能带最大负载情况下的输出功率；将控制绕组切换至交流电（恒压频比），其相序与功率绕组相反，电机进入亚同步运行状态，测量转速分别为400r/min和200r/min时电机所能带最大负载情况下的输出功率；控制绕组与功率绕组电流同相序时，即超同步运行状态下，测量转速分别为700r/min和1 000r/min时电机所能带最大负载的输出功率。将公共笼条插入磁障式磁阻转子，两端短接，形成复合转子，采用相同的实验方法，对复合转子BDFM进行实验。两种转子的实验结果如所示，可以看出，无论是同步速运行状态（500r/min），亚同步运行状态（转速小于500r/min），还是超同步运行状态（转速大于500r/min），复合转子 BDFM输出功率比磁障式磁阻转子BDFM高出17%左右，从而证明了复合转子具有高耦合能力和高输出转矩的优良性能。

图8 输出功率与转速关系Fig.8 The relationship between output power and speed

6 结论

（1）提出了一种新型隔磁磁阻和短路笼条复合转子结构，该种转子结构简单、制造方便，并且具有优良的磁场耦合能力。

（2）为了获得耦合能力最佳的转子结构，转子极弧系数的取值范围为0.7～0.73；导磁层数增多，转子耦合能力增强，达到4～5层时转子耦合能力增强速度变缓；导磁层和非导磁层宽度比取 2:1时转子获得最优的耦合能力；短路笼条组数增加，转子耦合能力在一定程度上得到增强，但兼顾制造成本，往往选择仅加入公共笼条；公共笼条层数越多，“集肤效应”影响越小，转子耦合能力越强。

（3）研制一台120kW复合转子无刷双馈电机，样机试验验证了该种新型转子具有优良的耦合能力。

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