張鳳閣　賈廣隆，2　鄭　陽　關　濤　藺　明

(1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院　沈陽　110870

2.中車株洲電力機車研究所有限公司　株州　412001)

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無刷電勵磁同步電機不同轉子結構的對比分析

張鳳閣1賈廣隆1，2鄭陽1關濤1藺明1

(1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院沈陽110870

2.中車株洲電力機車研究所有限公司株州412001)

摘要研究了一種特殊結構的無刷電勵磁同步電機，該種電機由無刷雙饋電機衍化而來，其取消了電刷和滑環(huán)，結構簡單可靠，減少了維護費用。定子上同時嵌有不同極數(shù)的兩套繞組，分別為三相電樞繞組和單相勵磁繞組。詳細介紹了該種電機的結構特點和運行機理，分別推導了磁障轉子和混合轉子無刷電勵磁同步電機的等效電路和電磁轉矩表達式。為分析這兩種轉子結構對電機性能的影響，對該種電機的運行特性進行了仿真研究，并研制了兩臺具有相同定子、不同轉子結構的樣機，測量了兩臺樣機的定子繞組電感參數(shù)，對樣機的不同運行方式進行了實驗研究。仿真和實驗結果表明：混合轉子無刷電勵磁同步電機的起動能力和帶載能力較好；磁障轉子無刷電勵磁同步電機的損耗略小。

關鍵詞：無刷勵磁同步電機混合轉子磁障轉子

0引言

永磁電機具有體積小、無刷可靠及高效節(jié)能等優(yōu)點，其應用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領域[1，2]。但隨著稀土永磁材料價格的不斷增加，使得永磁電機的成本不斷增加。少用或不用稀土永磁材料成為許多學者的研究方向[3]。

電勵磁同步電機受到了廣泛關注。常規(guī)的電勵磁同步電機具有調(diào)節(jié)勵磁方便、效率高和功率因數(shù)可調(diào)的優(yōu)點，但易產(chǎn)生電火花，造成爆炸事故[4-6]。常規(guī)無刷電勵磁同步電機取消了電刷和滑環(huán)，在運行過程中不易產(chǎn)生火花，減小了電機日常維護量，降低了在爆炸性氣體環(huán)境中使用的事故率。但旋轉整流器的存在使整個系統(tǒng)體積增加，同時增加了運行的不可靠性[7，8]。

本文研究了一種無刷電勵磁同步電機(Brushless Electrically-Excited Synchronous Machine，BEESM)，其設計思想來源于常規(guī)電勵磁同步電機和無刷雙饋電機[9-11]。該種電機定子上嵌有電樞繞組和勵磁繞組兩套繞組，電樞繞組是三相對稱繞組，勵磁繞組是單相繞組。轉子上取消了電刷和滑環(huán)，使電機結構更加簡單、運行可靠，同時降低了維修成本。

BEESM定子兩套繞組之間沒有直接的耦合關系，是通過特殊轉子進行間接耦合，從而實現(xiàn)機電能量轉換。因此轉子的結構是影響該種無刷電勵磁同步電機性能和耦合能力的關鍵性因素。目前常用的磁阻轉子有各向異性軸向疊片ALA磁阻轉子[12]和徑向疊片磁阻轉子[13-17]。ALA轉子會產(chǎn)生渦流損耗，徑向疊片轉子雖然不產(chǎn)生渦流損耗，但起動性能并不是很好。籠型轉子的起動性能較好，但對磁場的調(diào)制效果沒有徑向疊片轉子好[18，19]。

本文提出了一種磁障轉子和籠型轉子相結合的混合轉子結構。詳細介紹了新型BEESM的結構和運行原理，推導出兩種轉子的等效電路，并對其特性進行了仿真研究。為了進一步研究兩種轉子結構對該種電機性能的影響，本文設計和研制了兩臺具有相同定子、不同轉子結構的樣機。一臺樣機的轉子為磁障磁阻轉子，另一臺樣機的轉子為混合轉子。對這兩種轉子樣機電感參數(shù)進行了測量，并對其性能進行了大量的對比實驗研究。

1電機結構和運行原理

新型BEESM系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其定子鐵心上嵌有兩套不同極數(shù)的定子繞組，其中一套為電樞繞組，其極數(shù)為2p；另一套為勵磁繞組，其極數(shù)為2q。兩種轉子的示意圖如圖2所示。

圖1　新型BEESM系統(tǒng)示意圖Fig.1　Schematic of BEESM system

圖2　磁障轉子和混合轉子結構示意圖Fig.2　Structure diagram of hybrid rotor and magnetic barrier rotor

當BEESM穩(wěn)態(tài)運行時，電樞繞組在電機的氣隙中形成一個圓形的旋轉磁場，單相勵磁繞組產(chǎn)生一個靜止的恒定磁場。這兩個磁場通過轉子進行調(diào)制，實現(xiàn)間接的耦合，并在轉子上形成電磁轉矩。轉子的極對數(shù)為pr，且

pr=p+q

(1)

式中，p和q分別為電樞繞組和勵磁繞組的極對數(shù)。

當BEESM作為電動機運行時，勵磁繞組串接起動電阻后，電樞繞組可接在工頻電網(wǎng)上直接起動，通過改變起動電阻的大小可改善電機的起動性能。當電機的轉速接近同步轉速時，將勵磁繞組由串聯(lián)起動電阻狀態(tài)切換到直流供電狀態(tài)，電機將運行在同步運行方式。電機的同步轉速為nr，如式(2)所示。通過改變勵磁繞組中直流電流的大小，可以改變電機的功率因數(shù)。

(2)

式中，f為電樞繞組通入交流電的頻率。

2等效電路和電磁轉矩表達式

2.1磁障轉子BEESM等效電路和電磁轉矩表達式

當BEESM穩(wěn)定運行時，勵磁繞組的自感和電樞繞組對勵磁繞組的互感均存在。由于電機穩(wěn)態(tài)運行，勵磁繞組中通入直流電，因此勵磁繞組的自感和互感均不起作用，只需考慮電樞繞組的等效電路，類似于常規(guī)電勵磁同步電機的等效電路。電樞繞組和勵磁繞組的電流分別為

(3)

if=Imcosα

(4)

式中，下標p和f分別代表電樞繞組和勵磁繞組；ω1為電樞繞組通入交流電的角頻率；IM為電樞繞組電流的幅值；Im為勵磁繞組中電流值；α為電樞繞組和勵磁繞組合成磁動勢的夾角。則電樞繞組磁動勢和勵磁繞組磁動勢分別為

Fp(θ)=Fpmcos(ω1t-pθ)

(5)

Ff(θ)=Ffmcos(α+qθ)

(6)

式中

(7)

(8)

式中，nA為A相串聯(lián)匝數(shù)；nf為勵磁繞組串聯(lián)匝數(shù)。氣隙磁通密度可表示為

B(θ,θrm)=μ0g-1(θ,θrm)F(θ)

(9)

式中，g-1(θ，θrm)為電機的計算氣隙函數(shù)，其表達式為

(10)

將式(5)、式(6)和式(10)代入式(9)可得到電樞繞組和勵磁繞組的氣隙磁通密度分別為

Bp(θ,θrm)=

(11)

(12)

式中，θrm=ωrmt。根據(jù)電機理論和繞組函數(shù)理論，電樞繞組和勵磁繞組一相磁鏈分別為

ΨA=ΨAp+ΨAf+ΨAl

(13)

式中，ΨA為電樞繞組A相總磁鏈；ΨAp為電樞繞組對A相的磁鏈；ΨAf為勵磁繞組對電樞繞組A相的磁鏈；ΨAl為A相的漏磁鏈。

(14)

(15)

ΨAl=Llpiap

(16)

NA(θ)=nAcospθ

(17)

式中，NA(θ)為電樞繞組的相繞組理想函數(shù)。整理式(11)～式(17)可得到電樞繞組的總磁鏈為

(18)

令γ=prθrm0，γ為電機的轉矩角。由式(18)可得到電樞繞組自感與電樞繞組和勵磁繞組互感分別為

(19)

式中，Lp為電樞繞組自感；Lpf為電樞繞組和勵磁繞組的互感。磁鏈方程可表示為

ΨA=LpIMcosω1t+LpfImcos(ω1t+α+γ)

(20)

用相量的形式可寫出電樞繞組和勵磁繞組的電壓表達式分別為

EA=jω1LpIA+jω1LpfIaej(2α+γ)

(21)

UA=RpIA+jω1LpIA+jω1LpfIfej(2α+γ)

=RpIA+jω1LpIA+Epf

(22)

式中，Rp為電樞繞組相電阻。根據(jù)式(22)可得到電樞繞組的等效電路如圖3所示。

圖3　磁障轉子BEESM等效電路Fig.3　Equivalent circuit of BEESM with magnetic barrier rotor

根據(jù)電壓平衡方程和等效電路圖，磁障轉子無刷電勵磁同步電機的電磁轉矩可表示為

(23)

從等效電路可看出無刷電勵磁同步電機與常規(guī)的有刷電勵磁同步電機具有相同形式。由式(23)可看出，2p極電樞繞組和2q極勵磁繞組的無刷電勵磁同步電機的電磁轉矩等于2(p+q)極同步電機的電磁轉矩。

2.2混合轉子BEESM等效電路和電磁轉矩表達式

(24)

式中

(25)

(26)

整個轉子包含pr組由Nr個同心式短路線圈組成的轉子繞組，故轉子繞組產(chǎn)生的總磁動勢為

(27)

(28)

由轉子產(chǎn)生的氣隙磁通密度為

(29)

當v=p時，代入式(29)和式(26)，可求出2p極磁場分量和它所對應的系數(shù)，如式(30)和式(31)所示。

(30)

(31)

同理可得到2q極磁場分量和pr極磁場分量以及這兩個分量所對應的系數(shù)，分別如式(32)～(35)所示。

(32)

(33)

(34)

(35)

pr極轉子繞組的自感磁鏈主要由pr極的磁場分量產(chǎn)生，當忽略其他極數(shù)的磁場分量影響時，轉子繞組的自感磁鏈近似為

(36)

式中轉子繞組函數(shù)npr/2為

(37)

則轉子繞組的自感為

(38)

同理可求出兩套定子繞組和轉子繞組之間的互感分別為

(39)

(40)

轉子繞組的電壓平衡方程為

Epr-Efr=RrIr+jωrLrIr

(41)

(42)

(43)

通常籠型短路繞組的電阻很小，當忽略其電阻，轉子電流的近似表達式為

(44)

則電樞繞組和勵磁繞組的電壓平衡方程分別為

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)

由于勵磁繞組通入的是直流電，因此ω2=0?；\型轉子的無刷電勵磁同步電機的電壓平衡方程可表示為

(50)

再考慮磁障轉子的磁場調(diào)制作用，根據(jù)已推導出磁障轉子的電壓平衡關系，可寫出混合轉子的電壓平衡方程，如式(51)所示。

(51)

式中

(52)

根據(jù)式(59)可以畫出混合轉子無刷電勵磁同步電機的等效電路圖，如圖4所示。

圖4　混合轉子BEESM的等效電路Fig.4　Equivalent circuit of BEESM with hybrid rotor

混合轉子的等效電路只畫出了電樞繞組部分的電路，勵磁繞組的電路中只有電阻，此處不再贅述。從圖4可看出混合轉子電勵磁同步電機與磁障轉子無刷電勵磁同步電機具有相似的等效電路形式。類似于磁障轉子電勵磁同步電機的電磁轉矩，混合轉子BEESM表達式為

(53)

式中

(54)

混合轉子無刷電勵磁同步電機電樞繞組和勵磁繞組的互感比磁障轉子BEESM大，這是由于磁障轉子和籠型繞組共同作用的結果，可見復合轉子的磁場調(diào)制能力更強。

3無刷電勵磁同步電機的特性仿真

本文設計和研制的無刷電勵磁同步電機的參數(shù)如表1所示。當BEESM作為電動機運行時，電樞繞組通入相電壓為220 V、頻率為50 Hz的交流電，勵磁繞組串接起動電阻，阻值為6 Ω。串聯(lián)起動電阻的目的是減小起動時勵磁繞組的電流，進而限制單軸轉矩。當轉速小于1/2同步轉速時，單軸轉矩是一個正值，但當轉速在1/2同步轉速附近時，單軸轉矩會突然減小變?yōu)樨撝?。這樣電機的轉速可能會卡在1/2同步轉速附近而不能繼續(xù)上升。因此BEESM在異步起動時需要勵磁繞組串聯(lián)起動電阻。在相同的情況下，分別對磁障轉子和混合轉子BEESM的異步起動、牽入同步和突加負載進行仿真研究。1 s時將勵磁繞組接入5 V直流電壓源，3 s時突加70 N·m負載。轉速和電磁轉矩的變化曲線如圖5～圖8所示。

從圖5a和圖6a中可看出，混合轉子BEESM從起動到異步運行所需的時間是0.22 s。磁障轉子BEESM從起動到異步運行所需的時間是0.78 s。從圖5b和圖6b中可看出，混合轉子BEESM的起動轉矩更大一些，也更穩(wěn)定一些。從兩種轉子BEESM的轉速變化曲線和電磁轉矩變化曲線可看出，混合轉子無刷電勵磁同步電機具有較好的起動性能，牽入同步和抗擾動能力。

表1　BEESM的主要參數(shù)

圖5　混合轉子BEESM轉速和電磁轉矩變化曲線Fig.5　Variable curve of speed and electromagnetic torque of BEESM with hybrid rotor

圖6　磁障轉子BEESM轉速和電磁轉矩變化曲線Fig.6　Variable curve of speed and electromagnetic torque of BEESM with magnetic barrier rotor

4實驗研究

圖7為BEESM的實驗系統(tǒng)平臺。轉速轉矩儀將轉速和轉矩信號傳遞給功率分析儀，由功率分析儀讀取電機瞬時的轉速和轉矩值，電機的效率也通過功率分析儀進行計算。渦流測功機為電機提供負載。圖8中的轉子分別為樣機的磁障轉子和混合轉子。

圖7　無刷電勵磁同步電機的實驗系統(tǒng)平臺Fig.7　Experiment platform of BEESM

圖8　兩個不同轉子結構的樣機轉子Fig.8　Two different rotors of prototype

4.1電感參數(shù)測量

繞組的電阻計算和測量相對簡單，電感的測量相對復雜。BEESM的繞組電感測量方法采用靜測法。電樞繞組A相通入電壓50 V、頻率50 Hz的交流電，其他繞組開路。記錄不同轉子位置的電壓和電流數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得到磁障轉子和混合轉子BEESM的電感參數(shù)曲線分別如圖9和圖10所示。

圖9　磁障轉子樣機電感Fig.9　Inductances parameter of the prototype with magnetic barrier rotor

圖10　混合轉子樣機電感Fig.10　Inductances parameter of the prototype with hybrid rotor

從圖9和圖10可看出，混合轉子BEESM定子兩繞組之間的互感比磁障轉子BEESM略大，而混合轉子BEESM繞組的自感明顯小于磁障轉子，驗證了本文推導的等效電路的正確性。根據(jù)BEESM的磁場調(diào)制原理，可用互感和自感的比值來代表BEESM的耦合能力，比值越大，電機的耦合能力越強。從電感參數(shù)可看出，混合轉子比磁障轉子具有更強的磁場調(diào)制能力，這是由于混合轉子的公共籠條加強了對磁通路徑的“限定性”，進一步增強了機電能量轉換的能力。

4.2異步起動特性

無刷電勵磁同步電機作為電動機運行時可以自起動，不需要其他輔助設備。當勵磁控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，可將電機與勵磁控制系統(tǒng)斷開，勵磁繞組短接，電機工作在異步運行狀態(tài)。電勵磁同步電機的電樞繞組施加電壓220 V、頻率50 Hz的電源，勵磁繞組串聯(lián)11 Ω的起動電阻。在同一起動位置，用轉速轉矩儀和功率分析儀分別記錄了磁障轉子和混合轉子BEESM的起動和異步運行特性曲線，如圖11～圖13所示。

從圖11可看出，磁障轉子BEESM起動所用的時間為2.2 s，異步運行穩(wěn)定時的轉速為488 r/min?；旌限D子BEESM起動所用的時間為3.5 s，穩(wěn)定異步運行時的轉速為495 r/min。對比圖12和圖13可看出，與磁障轉子樣機相比，復合轉子樣機的電樞繞組電流和勵磁繞組電流更加平穩(wěn)，起動轉矩更大。綜上，可得出復合轉子BEESM具有較好的起動和異步運行特性。

圖11　異步起動轉速波形Fig.11　Waveforms of asynchronous operation

圖12　磁障轉子樣機起動特性Fig.12　Starting characteristics of prototype with magnetic barrier rotor

圖13　復合轉子樣機起動特性Fig.13　Starting characteristics of prototype with hybrid rotor

4.3電動機同步運行特性

當BEESM異步運行穩(wěn)定時，勵磁繞組通入直流電后，BEESM將被牽入到同步運行狀態(tài)。同時調(diào)節(jié)勵磁電流和負載，使電機的輸出功率達到額定值。保持勵磁電流恒定，逐漸減小負載，使電機的輸出功率逐漸減小至零。輸出功率與效率和輸出轉矩的關系如圖14所示。

從圖14中可看出，磁障轉子BEESM的最高效率為86%，輸出轉矩最大值為186 N·m；混合轉子BEESM的最高效率為84%，輸出轉矩最大值為202 N·m。由此可看出，混合轉子BEESM的帶載能力好于磁障轉子BEESM，而效率略低于磁障轉子BEESM。這是由于混合轉子上公共籠條和短路籠條的存在增強了轉子對磁場的調(diào)制作用，使電機的耦合能力更強，但在運行時會產(chǎn)生銅耗，從而使電機的效率降低。

圖14　不同轉子BEESM運行性能對比Fig.14　Comparison of operation performance of BEESM with different rotors

5結論

本文提出了一種新型結構的無刷電勵磁同步電機，介紹了該種電機的結構和運行原理，并推導出磁障轉子和混合轉子BEESM的等效電路和電磁轉矩表達式。在此基礎上，設計了磁障轉子和混合轉子BEESM樣機，并對兩臺樣機的特性進行了仿真和實驗研究。仿真與實驗結果具有較好的一致性，同時驗證了該種電機原理的正確性。從兩臺樣機的電感參數(shù)可看出，混合轉子BEESM的耦合能力更強。磁障轉子BEESM的損耗較小，效率略高，起動性能和帶載能力較弱。而混合轉子BEESM的起動能力和帶載能力較好，損耗稍微增加?？傮w來看，混合轉子BEESM的性能好于磁障轉子BEESM。

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張鳳閣男，1963年生，教授，博士生導師，研究方向為特種電機及其控制和新能源技術。

E-mail：zhangfg@sut.edu.cn

賈廣隆男，1987年生，博士研究生，研究方向為特種電機及其控制。

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

作者簡介

中圖分類號：TM352

收稿日期2015-09-10改稿日期2016-01-01

國家自然科學基金(51277125，51537007)、高等學校博士學科點專項科研基金(20122102110004)和歐盟第七框架計劃項目(318925)資助。