定子双馈无刷风电机磁场分析

曲春雨，闫江峰，王秀平，曹金龙

（沈阳工程学院，沈阳 110136）

定子双馈无刷风电机磁场分析

曲春雨，闫江峰，王秀平，曹金龙

（沈阳工程学院，沈阳 110136）

高可靠性定子双馈电机在风力发电领域具有广阔的应用前景。本文首先介绍了定子双馈无刷双馈电机在风力发电中的运行原理，然后绘制了该电机的二维和三维结构图，对该电机进行了有限元分析计算，为电机的开发应用提供参考。

双馈无刷电机；转子结构；有限元分析；应用前景

1 引言

电机是工农业生产中不可缺少的电磁装置，广泛应用的主要是异步电机和同步电机。鼠笼型异步电机简单、坚固而且耐用， 是驱动领域的主要电动机，但缺点就是起动和调速性能不够理想，绕线型异步电机可以实现双馈运行，可实现串级调速，但本身结构包含了电刷和滑环，运行可靠性和在恶劣环境的应用方面显得不足；火力发电和水力发电中广泛利用了同步发电机，但应用于风力发电，存在了局限性。目前快速发展的永磁风力发电机，虽然具有高效率，优良的运行性能，但变频器容量较大，而且无法实现双馈运行。双馈无刷电机是近些年发展起来的一种新型交流电机，该电机通过变频器的是转差频率、功率因数可调、无刷耐用而且结构简单，将在交流调速驱动系统和变速恒频风力发电领域应用前景广阔，具有较大的应用市场。目前，双馈电机的运行原理、功率流向和运行性能已经进行了深入的研究， 开展了推广应用的前期基础工作［1-4］。但是，双馈无刷电机仅仅小部分应用于实验系统，大多数学者仍然在实验室进行开发和研究，距离产业化还有距离，因此，学者们积极寻求各种有效的途径和手段，深入开展该电机的推广应用技术研究，该电机已经成为近几年学者们研究的热点问题之一［5-6］。

本文首先陈述双馈无刷电机的结构和运行原理，然后借助有限元分析软件，对磁场进行了分析，表明了设计样机的合理性。

2 双馈无刷电机的结构和运行原理

与传统交流电机相比，双馈无刷电机结构比较特殊，在定子上嵌放了2pp极的功率绕组和2pc极的控制绕组，双馈运行时，功率绕组连接电网，控制绕组经过双向变频器连接到电网。转子极对数pr和定子两套绕组极对数之间的关系如下：

因此，在电机的气隙中将会存在两种极数磁场的耦合，这两个磁场的耦合是通过特殊转子结构来实现的，因而也就完成了定转子间的机电能量交换。功率绕组和控制绕组的作用近似看作传统的绕线式异步电机的定子和转子绕组，其结构示意图如图1所示。

双馈无刷电机突出的特点就是运行方式较多［8-9］，可以实现双馈发电、 双馈驱动、异步运行和同步运行等方式，双馈发电运行时的各个物理量的关系式为：

式中f1和f2分别指的是功率绕组和控制绕组的电流频率。“+”“-”分别表示两定子绕组的电流为同相序和反相序。当风速或者水速改变时，由式子（2），通过改变控制绕组的频率，可以确保功率绕组的输出频率为50Hz，发挥了变速恒频发电的目的。因此，双馈无刷电机常常用于变速恒频风力或者水力发电机系统。

3 定子双馈无刷发电机性能的磁场分析

两套定子绕组具有不同的极数，因此转子在磁场耦合过程中承担着“极数转换器”功能，常见的转子类型主要有同心笼型、磁障磁阻型和混合转子等。混合转子定子双馈无刷电机的三维结构图如图2所示。主要组成包含：定子、转子、隔磁环、端部短路环、转轴等。为了进行对定子双馈风电机进行磁场分析，需要建立该电机的二维结构模型，在ΑUTOCΑD里面建立的模型，然后导入有限元分析软件，如图3所示。

按照如下步骤进行有限元分析计算，步骤为：

（1）建立模型；（2）制定材料的属性：定子和转子铁心为硅钢片，定子绕组为铜，转子轴为；（3）铸铁。建立边界条件和激励源；（4）设定求解参数；（5）后处理，得到结果。

得到的有限元分析的结果如下，

从图4可以看出，定子双馈风电机在负载运行时，磁场分布合理，定子轭部1.5T， 定子齿部1.6T， 转子的平均磁密在1.4T， 磁密分布合理。

从图5所示，磁力线沿着希望的路径流通，转子的凸极效应明显。也有磁力线从一个单元跨到了另一个单元，这是我们不希望存在的，因此在结构的改进设计时，应充分考虑这方面影响。

图6给出了气隙磁密分布，图7给出了气隙磁密的FFT分解。可以看出，气隙磁密分布明显非正弦性，这是由于该类电机的特殊结构和原理导致。 通过FFT分析可以看出，所有谐波中，只有4次和8次谐波最大，这是由于该电机在运行时，是依靠这两种谐波来工作的。

4 结论

在分析了无刷双馈电机原理的基础上，绘制了定子双馈无刷电机的三维结构图，然后对该电机的性能进行了有限元分析，通过有限元分析发现，各部分磁密分布合理，磁力线能够沿着希望的路径流通，同时，该电机的气隙磁场不对称，明显不具备正弦性特点，但从FFT分解来看，该电机的有效谐波较大，较好的完成了机电能量交换。

［1］P J Tavner， R A MMahon， P Roberts， etc， Rotor Design & Performance for a BDFM， Greece， September， 2006，pp∶439-443.

［2］Richard McMahon， Peter Tavner， Ehsan Abdi， Paul Malliband and Darren Barkerd， Characterising Rotors for Brushless Doubly-Fed Machines （BDFG）， ICEM 2010，pp.1-6， 2010.

［3］Huijuan Liu， Longya Xu， Performance analysis of a doubly excited brushless machine for variable speed application，ICEMS2011， 2011.

［4］王秀平，郭瑞，王东瑞.无刷双馈电机的转子结构及其应用前景［J］.硅谷，2012（10）∶24-25.

［5］王秀平，张凤阁.新型转子无刷双馈电机电磁设计［J］.电机与控制应用，2012，39（07）∶12-15.

［6］张继东.无刷双馈电机调速系统仿真研究［J］.内蒙古石油化工，2012 （15）∶10-13.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.173

曲春雨（1979-），硕士，高级实验师，研究方向：特种电机及其控制技术。