无刷电励磁同步电机不同转子结构的对比分析

张凤阁　贾广隆，2　郑　阳　关　涛　蔺　明

(1.沈阳工业大学电气工程学院　沈阳　110870

2.中车株洲电力机车研究所有限公司　株州　412001)



无刷电励磁同步电机不同转子结构的对比分析

张凤阁1贾广隆1，2郑阳1关涛1蔺明1

(1.沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870

2.中车株洲电力机车研究所有限公司株州412001)

摘要研究了一种特殊结构的无刷电励磁同步电机，该种电机由无刷双馈电机衍化而来，其取消了电刷和滑环，结构简单可靠，减少了维护费用。定子上同时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。详细介绍了该种电机的结构特点和运行机理，分别推导了磁障转子和混合转子无刷电励磁同步电机的等效电路和电磁转矩表达式。为分析这两种转子结构对电机性能的影响，对该种电机的运行特性进行了仿真研究，并研制了两台具有相同定子、不同转子结构的样机，测量了两台样机的定子绕组电感参数，对样机的不同运行方式进行了实验研究。仿真和实验结果表明：混合转子无刷电励磁同步电机的起动能力和带载能力较好；磁障转子无刷电励磁同步电机的损耗略小。

关键词：无刷励磁同步电机混合转子磁障转子

0引言

永磁电机具有体积小、无刷可靠及高效节能等优点，其应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域[1，2]。但随着稀土永磁材料价格的不断增加，使得永磁电机的成本不断增加。少用或不用稀土永磁材料成为许多学者的研究方向[3]。

电励磁同步电机受到了广泛关注。常规的电励磁同步电机具有调节励磁方便、效率高和功率因数可调的优点，但易产生电火花，造成爆炸事故[4-6]。常规无刷电励磁同步电机取消了电刷和滑环，在运行过程中不易产生火花，减小了电机日常维护量，降低了在爆炸性气体环境中使用的事故率。但旋转整流器的存在使整个系统体积增加，同时增加了运行的不可靠性[7，8]。

本文研究了一种无刷电励磁同步电机(Brushless Electrically-Excited Synchronous Machine，BEESM)，其设计思想来源于常规电励磁同步电机和无刷双馈电机[9-11]。该种电机定子上嵌有电枢绕组和励磁绕组两套绕组，电枢绕组是三相对称绕组，励磁绕组是单相绕组。转子上取消了电刷和滑环，使电机结构更加简单、运行可靠，同时降低了维修成本。

BEESM定子两套绕组之间没有直接的耦合关系，是通过特殊转子进行间接耦合，从而实现机电能量转换。因此转子的结构是影响该种无刷电励磁同步电机性能和耦合能力的关键性因素。目前常用的磁阻转子有各向异性轴向叠片ALA磁阻转子[12]和径向叠片磁阻转子[13-17]。ALA转子会产生涡流损耗，径向叠片转子虽然不产生涡流损耗，但起动性能并不是很好。笼型转子的起动性能较好，但对磁场的调制效果没有径向叠片转子好[18，19]。

本文提出了一种磁障转子和笼型转子相结合的混合转子结构。详细介绍了新型BEESM的结构和运行原理，推导出两种转子的等效电路，并对其特性进行了仿真研究。为了进一步研究两种转子结构对该种电机性能的影响，本文设计和研制了两台具有相同定子、不同转子结构的样机。一台样机的转子为磁障磁阻转子，另一台样机的转子为混合转子。对这两种转子样机电感参数进行了测量，并对其性能进行了大量的对比实验研究。

1电机结构和运行原理

新型BEESM系统示意图如图1所示，其定子铁心上嵌有两套不同极数的定子绕组，其中一套为电枢绕组，其极数为2p；另一套为励磁绕组，其极数为2q。两种转子的示意图如图2所示。

图1　新型BEESM系统示意图Fig.1　Schematic of BEESM system

图2　磁障转子和混合转子结构示意图Fig.2　Structure diagram of hybrid rotor and magnetic barrier rotor

当BEESM稳态运行时，电枢绕组在电机的气隙中形成一个圆形的旋转磁场，单相励磁绕组产生一个静止的恒定磁场。这两个磁场通过转子进行调制，实现间接的耦合，并在转子上形成电磁转矩。转子的极对数为pr，且

pr=p+q

(1)

式中，p和q分别为电枢绕组和励磁绕组的极对数。

当BEESM作为电动机运行时，励磁绕组串接起动电阻后，电枢绕组可接在工频电网上直接起动，通过改变起动电阻的大小可改善电机的起动性能。当电机的转速接近同步转速时，将励磁绕组由串联起动电阻状态切换到直流供电状态，电机将运行在同步运行方式。电机的同步转速为nr，如式(2)所示。通过改变励磁绕组中直流电流的大小，可以改变电机的功率因数。

(2)

式中，f为电枢绕组通入交流电的频率。

2等效电路和电磁转矩表达式

2.1磁障转子BEESM等效电路和电磁转矩表达式

当BEESM稳定运行时，励磁绕组的自感和电枢绕组对励磁绕组的互感均存在。由于电机稳态运行，励磁绕组中通入直流电，因此励磁绕组的自感和互感均不起作用，只需考虑电枢绕组的等效电路，类似于常规电励磁同步电机的等效电路。电枢绕组和励磁绕组的电流分别为

(3)

if=Imcosα

(4)

式中，下标p和f分别代表电枢绕组和励磁绕组；ω1为电枢绕组通入交流电的角频率；IM为电枢绕组电流的幅值；Im为励磁绕组中电流值；α为电枢绕组和励磁绕组合成磁动势的夹角。则电枢绕组磁动势和励磁绕组磁动势分别为

Fp(θ)=Fpmcos(ω1t-pθ)

(5)

Ff(θ)=Ffmcos(α+qθ)

(6)

式中

(7)

(8)

式中，nA为A相串联匝数；nf为励磁绕组串联匝数。气隙磁通密度可表示为

B(θ,θrm)=μ0g-1(θ,θrm)F(θ)

(9)

式中，g-1(θ，θrm)为电机的计算气隙函数，其表达式为

(10)

将式(5)、式(6)和式(10)代入式(9)可得到电枢绕组和励磁绕组的气隙磁通密度分别为

Bp(θ,θrm)=

(11)

(12)

式中，θrm=ωrmt。根据电机理论和绕组函数理论，电枢绕组和励磁绕组一相磁链分别为

ΨA=ΨAp+ΨAf+ΨAl

(13)

式中，ΨA为电枢绕组A相总磁链；ΨAp为电枢绕组对A相的磁链；ΨAf为励磁绕组对电枢绕组A相的磁链；ΨAl为A相的漏磁链。

(14)

(15)

ΨAl=Llpiap

(16)

NA(θ)=nAcospθ

(17)

式中，NA(θ)为电枢绕组的相绕组理想函数。整理式(11)～式(17)可得到电枢绕组的总磁链为

(18)

令γ=prθrm0，γ为电机的转矩角。由式(18)可得到电枢绕组自感与电枢绕组和励磁绕组互感分别为

(19)

式中，Lp为电枢绕组自感；Lpf为电枢绕组和励磁绕组的互感。磁链方程可表示为

ΨA=LpIMcosω1t+LpfImcos(ω1t+α+γ)

(20)

用相量的形式可写出电枢绕组和励磁绕组的电压表达式分别为

EA=jω1LpIA+jω1LpfIaej(2α+γ)

(21)

UA=RpIA+jω1LpIA+jω1LpfIfej(2α+γ)

=RpIA+jω1LpIA+Epf

(22)

式中，Rp为电枢绕组相电阻。根据式(22)可得到电枢绕组的等效电路如图3所示。

图3　磁障转子BEESM等效电路Fig.3　Equivalent circuit of BEESM with magnetic barrier rotor

根据电压平衡方程和等效电路图，磁障转子无刷电励磁同步电机的电磁转矩可表示为

(23)

从等效电路可看出无刷电励磁同步电机与常规的有刷电励磁同步电机具有相同形式。由式(23)可看出，2p极电枢绕组和2q极励磁绕组的无刷电励磁同步电机的电磁转矩等于2(p+q)极同步电机的电磁转矩。

2.2混合转子BEESM等效电路和电磁转矩表达式

(24)

式中

(25)

(26)

整个转子包含pr组由Nr个同心式短路线圈组成的转子绕组，故转子绕组产生的总磁动势为

(27)

(28)

由转子产生的气隙磁通密度为

(29)

当v=p时，代入式(29)和式(26)，可求出2p极磁场分量和它所对应的系数，如式(30)和式(31)所示。

(30)

(31)

同理可得到2q极磁场分量和pr极磁场分量以及这两个分量所对应的系数，分别如式(32)～(35)所示。

(32)

(33)

(34)

(35)

pr极转子绕组的自感磁链主要由pr极的磁场分量产生，当忽略其他极数的磁场分量影响时，转子绕组的自感磁链近似为

(36)

式中转子绕组函数npr/2为

(37)

则转子绕组的自感为

(38)

同理可求出两套定子绕组和转子绕组之间的互感分别为

(39)

(40)

转子绕组的电压平衡方程为

Epr-Efr=RrIr+jωrLrIr

(41)

(42)

(43)

通常笼型短路绕组的电阻很小，当忽略其电阻，转子电流的近似表达式为

(44)

则电枢绕组和励磁绕组的电压平衡方程分别为

UA=RpIA+jω1LpIA+Erp

=RpIA+jω1LpIA-jω1(Lpr∠γp)Ir

=RpIA+jω1LprpIA+[jω1(Lfrp∠γ)][Ia∠(-α)]

(45)

Uf=Rf[If∠(-α)]+jω2Lf[If∠(-α)]+Erf

=Rf[If∠(-α)]+jω2Lf[If∠(-α)]-

jω2(Lfr∠γf)Ir

=Rf[If∠(-α)]+jω2Lfrf[If∠(-α)]+

[jω2(Lfrp∠γ)]IA

(46)

式中

(47)

(48)

(49)

由于励磁绕组通入的是直流电，因此ω2=0。笼型转子的无刷电励磁同步电机的电压平衡方程可表示为

(50)

再考虑磁障转子的磁场调制作用，根据已推导出磁障转子的电压平衡关系，可写出混合转子的电压平衡方程，如式(51)所示。

(51)

式中

(52)

根据式(59)可以画出混合转子无刷电励磁同步电机的等效电路图，如图4所示。

图4　混合转子BEESM的等效电路Fig.4　Equivalent circuit of BEESM with hybrid rotor

混合转子的等效电路只画出了电枢绕组部分的电路，励磁绕组的电路中只有电阻，此处不再赘述。从图4可看出混合转子电励磁同步电机与磁障转子无刷电励磁同步电机具有相似的等效电路形式。类似于磁障转子电励磁同步电机的电磁转矩，混合转子BEESM表达式为

(53)

式中

(54)

混合转子无刷电励磁同步电机电枢绕组和励磁绕组的互感比磁障转子BEESM大，这是由于磁障转子和笼型绕组共同作用的结果，可见复合转子的磁场调制能力更强。

3无刷电励磁同步电机的特性仿真

本文设计和研制的无刷电励磁同步电机的参数如表1所示。当BEESM作为电动机运行时，电枢绕组通入相电压为220 V、频率为50 Hz的交流电，励磁绕组串接起动电阻，阻值为6 Ω。串联起动电阻的目的是减小起动时励磁绕组的电流，进而限制单轴转矩。当转速小于1/2同步转速时，单轴转矩是一个正值，但当转速在1/2同步转速附近时，单轴转矩会突然减小变为负值。这样电机的转速可能会卡在1/2同步转速附近而不能继续上升。因此BEESM在异步起动时需要励磁绕组串联起动电阻。在相同的情况下，分别对磁障转子和混合转子BEESM的异步起动、牵入同步和突加负载进行仿真研究。1 s时将励磁绕组接入5 V直流电压源，3 s时突加70 N·m负载。转速和电磁转矩的变化曲线如图5～图8所示。

从图5a和图6a中可看出，混合转子BEESM从起动到异步运行所需的时间是0.22 s。磁障转子BEESM从起动到异步运行所需的时间是0.78 s。从图5b和图6b中可看出，混合转子BEESM的起动转矩更大一些，也更稳定一些。从两种转子BEESM的转速变化曲线和电磁转矩变化曲线可看出，混合转子无刷电励磁同步电机具有较好的起动性能，牵入同步和抗扰动能力。

表1　BEESM的主要参数

图5　混合转子BEESM转速和电磁转矩变化曲线Fig.5　Variable curve of speed and electromagnetic torque of BEESM with hybrid rotor

图6　磁障转子BEESM转速和电磁转矩变化曲线Fig.6　Variable curve of speed and electromagnetic torque of BEESM with magnetic barrier rotor

4实验研究

图7为BEESM的实验系统平台。转速转矩仪将转速和转矩信号传递给功率分析仪，由功率分析仪读取电机瞬时的转速和转矩值，电机的效率也通过功率分析仪进行计算。涡流测功机为电机提供负载。图8中的转子分别为样机的磁障转子和混合转子。

图7　无刷电励磁同步电机的实验系统平台Fig.7　Experiment platform of BEESM

图8　两个不同转子结构的样机转子Fig.8　Two different rotors of prototype

4.1电感参数测量

绕组的电阻计算和测量相对简单，电感的测量相对复杂。BEESM的绕组电感测量方法采用静测法。电枢绕组A相通入电压50 V、频率50 Hz的交流电，其他绕组开路。记录不同转子位置的电压和电流数据，经计算可得到磁障转子和混合转子BEESM的电感参数曲线分别如图9和图10所示。

图9　磁障转子样机电感Fig.9　Inductances parameter of the prototype with magnetic barrier rotor

图10　混合转子样机电感Fig.10　Inductances parameter of the prototype with hybrid rotor

从图9和图10可看出，混合转子BEESM定子两绕组之间的互感比磁障转子BEESM略大，而混合转子BEESM绕组的自感明显小于磁障转子，验证了本文推导的等效电路的正确性。根据BEESM的磁场调制原理，可用互感和自感的比值来代表BEESM的耦合能力，比值越大，电机的耦合能力越强。从电感参数可看出，混合转子比磁障转子具有更强的磁场调制能力，这是由于混合转子的公共笼条加强了对磁通路径的“限定性”，进一步增强了机电能量转换的能力。

4.2异步起动特性

无刷电励磁同步电机作为电动机运行时可以自起动，不需要其他辅助设备。当励磁控制系统发生故障时，可将电机与励磁控制系统断开，励磁绕组短接，电机工作在异步运行状态。电励磁同步电机的电枢绕组施加电压220 V、频率50 Hz的电源，励磁绕组串联11 Ω的起动电阻。在同一起动位置，用转速转矩仪和功率分析仪分别记录了磁障转子和混合转子BEESM的起动和异步运行特性曲线，如图11～图13所示。

从图11可看出，磁障转子BEESM起动所用的时间为2.2 s，异步运行稳定时的转速为488 r/min。混合转子BEESM起动所用的时间为3.5 s，稳定异步运行时的转速为495 r/min。对比图12和图13可看出，与磁障转子样机相比，复合转子样机的电枢绕组电流和励磁绕组电流更加平稳，起动转矩更大。综上，可得出复合转子BEESM具有较好的起动和异步运行特性。

图11　异步起动转速波形Fig.11　Waveforms of asynchronous operation

图12　磁障转子样机起动特性Fig.12　Starting characteristics of prototype with magnetic barrier rotor

图13　复合转子样机起动特性Fig.13　Starting characteristics of prototype with hybrid rotor

4.3电动机同步运行特性

当BEESM异步运行稳定时，励磁绕组通入直流电后，BEESM将被牵入到同步运行状态。同时调节励磁电流和负载，使电机的输出功率达到额定值。保持励磁电流恒定，逐渐减小负载，使电机的输出功率逐渐减小至零。输出功率与效率和输出转矩的关系如图14所示。

从图14中可看出，磁障转子BEESM的最高效率为86%，输出转矩最大值为186 N·m；混合转子BEESM的最高效率为84%，输出转矩最大值为202 N·m。由此可看出，混合转子BEESM的带载能力好于磁障转子BEESM，而效率略低于磁障转子BEESM。这是由于混合转子上公共笼条和短路笼条的存在增强了转子对磁场的调制作用，使电机的耦合能力更强，但在运行时会产生铜耗，从而使电机的效率降低。

图14　不同转子BEESM运行性能对比Fig.14　Comparison of operation performance of BEESM with different rotors

5结论

本文提出了一种新型结构的无刷电励磁同步电机，介绍了该种电机的结构和运行原理，并推导出磁障转子和混合转子BEESM的等效电路和电磁转矩表达式。在此基础上，设计了磁障转子和混合转子BEESM样机，并对两台样机的特性进行了仿真和实验研究。仿真与实验结果具有较好的一致性，同时验证了该种电机原理的正确性。从两台样机的电感参数可看出，混合转子BEESM的耦合能力更强。磁障转子BEESM的损耗较小，效率略高，起动性能和带载能力较弱。而混合转子BEESM的起动能力和带载能力较好，损耗稍微增加。总体来看，混合转子BEESM的性能好于磁障转子BEESM。

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张凤阁男，1963年生，教授，博士生导师，研究方向为特种电机及其控制和新能源技术。

E-mail：zhangfg@sut.edu.cn

贾广隆男，1987年生，博士研究生，研究方向为特种电机及其控制。

E-mail：jiaguanglong_87@163.com(通信作者)

Comparison of Brushless Electrically Excited Synchronous Machine with Different Rotor Structures

ZhangFengge1JiaGuanglong1,2ZhengYang1GuanTao1LinMing1

(1.School of Electrical EngineeringShenyang University of TechnologyShenyang110870China 2.CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute Co.LtdZhuzhou412001China)

AbstractA new brushless electrically excited synchronous machine (BEESM) is proposed, which is originated from the brushless doubly fed machine.It eliminates the brushes and slip rings so as to improve the reliability and reduce the maintenance cost.The proposed motor is characterized by two sets of stator windings with different pole numbers, acting as the three-phase armature winding and the exciting winding respectively.The structure and operating principle of the machine are introduced.And the equivalent circuit and electromagnetic torque expression of BEESM with a magnetic barrier rotor and a hybrid rotor are deduced.In order to study the effect of different rotor structures on the performance of BEESM, the operating characteristics of this kind of machine are simulated.And two prototypes with the same stator and two different rotors are manufactured.The inductance parameters are measured and the experimental researches on different operation modes are done.The simulation and experimental results indicate that the BEESM with hybrid rotor has a good performance of starting and synchronous operation with load.However, the efficiency of the BEESM with magnetic barrier rotor is little higher.

Keywords：Brushless excitation, synchronous machine, hybrid rotor, magnetic barrier rotor

作者简介

中图分类号：TM352

收稿日期2015-09-10改稿日期2016-01-01

国家自然科学基金(51277125，51537007)、高等学校博士学科点专项科研基金(20122102110004)和欧盟第七框架计划项目(318925)资助。