深槽式凸极转子无刷双馈电机的动态特性研究

薛 冰

(国家知识产权局 专利局专利审查协作江苏中心，苏州 215163)



深槽式凸极转子无刷双馈电机的动态特性研究

薛 冰

(国家知识产权局 专利局专利审查协作江苏中心，苏州 215163)

通过深槽加工优化改进传统的普通凸极转子结构，得到了深槽式凸极转子无刷双馈电机。对普通凸极转子和深槽式凸极转子无刷双馈电机的动态特性进行了仿真，得到了从单馈异步运行方式牵入到同步、亚同步和超同步运行方式的过渡过程以及从空载到负载运行的转速和转矩波形。经过优化前后对比分析，验证了深槽式凸极转子无刷双馈电机设计的合理性。

无刷双馈电机；深槽式凸极转子；动态特性

0 引 言

无刷双馈电机(以下简称BDFM)是一种结构特殊的电机，近些年许多学者对其进行了深入研究，由于其具有优良的机械特性和简单的结构特点等优势，在许多领域都有很好的实际生产应用潜力。但常见的BDFM转子磁场调制能力不高,使得BDFM运行效果不好[1]。因而，对常见的BDFM转子结构优化设计，提高其动态特性以及运行效率显得尤为重要。

常见的凸极转子磁场调制效果差，导致其动态运行能力弱，影响电机效率和性能。通过参考磁障式磁阻转子的结构特点，通过加工深槽优化改进传统的普通凸极转子结构，可得到深槽式凸极转子无刷双馈电机。后又在深槽中嵌入导条以达到进一步优化其磁场调制能力和动态特性的目的，最后通过Ansoft有限元仿真软件对凸极转子、深槽式凸极转子和深槽加导条式凸极转子BDFM的3种过渡过程的牵入特性，以及从空载到负载运行的稳定性进行了仿真，比较优化改进前后转子的动态特性能力。

本文通过对普通凸极转子和深槽式凸极转子无刷双馈电机的动态特性进行了仿真，得到了从单馈异步运行方式牵入到同步、亚同步和超同步运行方式的过渡过程以及从空载到负载运行的转速和转矩波形。经过对比分析，验证了深槽式凸极转子无刷双馈电机设计的合理性。

1 无刷双馈电机的结构原理

如图1所示，BDFM结构为一个放置有两组极数各异互为冗余的三相绕组的定子和一个转子，互为冗余的三相绕组分别为与变频电源连接的控制绕组以及与工频电源连接的功率绕组[2]。

图1 无刷双馈电机的结构

当功率和控制绕组极对数一定时，BDFM转速控制可通过调节控制绕组的频率来实现，其转速表达式：

(1)

式中：fp代表功率侧频率；fc代表控制侧频率；pp代表功率侧极对数；pc代表控制侧极对数；“-”代表控制侧与功率侧的基波磁势反向； “+”表示功率绕组与控制绕组的基波磁势同向。

2 深槽式凸极转子结构设计

依据BDFM的基本结构和原理可知，定子两套绕组之间耦合能力取决于特殊的转子结构，耦合能力的好坏也直接决定电机效率的高低和性能的优劣。普通凸极转子结构的凸极间磁阻效应不强，隔磁效果不理想，磁通在上面的流通方向不规则，具有很大的不确定性，所以此结构转子磁耦合能力弱，动态特性差。

本文把通过参考磁障式磁阻转子的结构特点，通过加工深槽优化改进传统的普通凸极转子结构，得到了深槽式凸极转子无刷双馈电机，深槽为高磁阻率材料，在凸极表面加工pr个深槽，通过高磁阻深槽式凸极转子结构如图2所示。

图2 深槽式凸极转子结构

为了进一步提高深槽式凸极转子限制谐波磁通路径的能力，增高其磁场极数自动转换效率与动态特性，参考环状笼型转子的设计灵感，在深槽内加短路导条，当无效谐波磁场通过短路导条时，会形成感应电流生成逆向磁通阻挡有害谐波磁通，更有效的加强了转子磁耦合效果。不过嵌入的短路导条因有电流通过会发热耗能，以及加工复杂度与成本也相对较高。

3 深槽式凸极转子无刷双馈电机的动态特性研究

改变控制绕组的馈电方式，可以使BDFM工作在同步、亚同步、超同步3种运行状态。在实际应用中，无论需要它工作在哪种状态，都需要从自起动与异步运行方式过渡到上述3种状态，即从单馈异步运行方式牵入到同步运行方式、从单馈异步运行方式牵入到亚同步运行方式和从单馈异步运行方式牵入到超同步运行方式，其牵入能力的好坏对BDFM能否稳定快速过渡到不同运行状态影响很大，因此本文就对普通凸极转子、深槽式凸极转子和深槽加导条式凸极转子BDFM的3种过渡过程的牵入特性以及从空载到负载运行的稳定性进行了仿真对比研究。

首先对同步运行动态特性进行仿真研究。利用Ansoft软件自带的MaxwellCircuitEditor外电路编辑器建立励磁电源并一键导入Maxwell2D进行动态特性仿真计算。其中求解时间为2.5s，求解步长为0.002s，功率绕组接380V、50Hz正弦交流电源， 0～1s将控制绕组短路，进行空载异步启动，1s时给控制绕组接20V直流电源，从单馈异步运行方式牵入到同步运行方式，在1.9s时加40N·m负载，进行负载同步运行。

由图3～图5可知，3种转子BDFM都具备单馈异步自启动能力，启动特性与常规交流电机相类似，其中普通凸极转子空载启动时间大约是0.9s，深槽式凸极转子大约是0.6s，深槽加导条式凸极转子启动转矩最大，启动时间最短，大约是0.23s，启动结束后，进入单馈异步运行状态，由于没加负载，转差率很小，转速基本稳定运行在750r/min。在1s给控制绕组接直流电，此时3种转子的转速和转矩都有一定的波动，其中普通凸极转子BDFM转速和转矩波动幅度最大，在1.5s左右转速被平稳的牵入到同步转速750r/min，深槽式凸极转子BDFM转速转矩波动幅度较普通凸极转子小，在1.32s左右转速被平稳的牵入到同步转速750r/min，深槽加导条式凸极转子BDFM转速转矩波动幅度最小，在1.27s左右就能很快牵入到同步转速750r/min稳定运行。在1.9s时加40N·m负载，除了普通凸极转子BDFM转速和转矩波动稍微大一些，重新恢复到同步转速的时间稍长些，深槽式凸极转子和深槽加导条式凸极转子BDFM转速和转矩的波动都很小，能很快的恢复稳态，转速维持750r/min不变，转矩被牵到40N·m，其同步运行特性和电励磁同步电机相类似。可以看出，在异步启动上，普通凸极转子BDFM启动转矩最小，启动时间最长，深槽式凸极转子BDFM次之，深槽加导式凸极转子BDFM启动转矩最大，启动时间最短；从单馈异步牵入到同步运行方式，深槽加导式凸极转子BDFM动态响应能力最好，深槽式凸极转子BDFM次之，普通凸极转子BDFM最差；机械负载变化稳定性方面，深槽式凸极转子和深槽加导条式凸极转子BDFM都较理想，而普通凸极转子较之差一些。

(a)转速曲线(b)转矩曲线

图3 凸极转子同步运行

图4 深槽式凸极转子同步运行

图5 深槽加导条凸极转子同步运行

可见，普通凸极转子通过改进加深槽后，在异步启动和同步运行动态特性上都有了一定的提高，总体上而言，3种转子BDFM的同步运行特性很理想，另外，3种转子在同步运行状态下的转速大小与式(1)的计算结果相一致，即也说明了上述3种转子同步运行动态特性的仿真结果都是正确的。

下面对亚同步运行动态特性进行仿真，其中深槽式凸极转子和深槽加导条式凸极转子求解时间为2.5 s，求解步长为0.002 s，功率绕组接380 V、50 Hz正弦交流电源，0～1 s将控制绕组短路，进行空载异步启动，1 s时给控制绕组接60 V、10 Hz反向序交流电源，从单馈异步运行牵入到亚同步运行方式，在1.9 s时加40 N·m负载，进行负载亚同步运行；普通凸极转子除了求解时间为3 s，在2.2 s时加40 N·m负载，进行负载亚同步运行外，其余求解条件不变。

由图6～图8可知，3种转子启动过程和同步运行时一样，最后稳定运行在750 r/min的空载转速上。在1 s时给控制绕组接60 V、10 Hz反向序交流电源，此时3种转子的转速和转矩都有不同程度的波动，其中普通凸极转子BDFM转速和转矩波动幅度最大，在1.95 s左右转速被顺利牵入到600 r/min，深槽式凸极转子BDFM转速转矩波动幅度较普通凸极转子小，在1.65 s左右转速被顺利的牵入到600 r/min，深槽加导条式凸极转子BDFM转速转矩波动幅度最小，在1.5 s左右就能很快的顺利牵入到转速600 r/min。深槽式凸极转子和深槽加导条式凸极转子在1.9 s时加40 N·m负载，而普通凸极转子在2.2 s时加40 N·m负载，3种转子的转速和转矩波动幅值差不多大，其中普通凸极转子BDFM经过0.6 s调整后在2.8 s左右重新恢复到转速600 r/min，深槽式凸极转子BDFM经过0.45 s调整后在2.35 s左右重新恢复到转速600 r/min，深槽加导条式凸极转子BDFM经过0.4 s调整后大约在2.3 s重新恢复到转速600 r/min，转矩都被牵到40 N·m，在带载的情况下，依然维持转速不变，体现了较硬的机械特性。可以看出，从单馈异步牵入到亚同步运行方式，深槽加导式凸极转子BDFM动态响应能力最好，深槽式凸极转子BDFM次之，普通凸极转子BDFM最差；机械负载变化稳定性方面，3种转子波动幅度差不多，只是普通凸极转子较另两个转子调整恢复到转速600 r/min的时间较长些。

(a)转速曲线(b)转矩曲线

图6 凸极转子亚同步运行

图7 深槽式凸极转子亚同步运行

图8 深槽加导条凸极转子亚同步运行

和同步运行动态特性一样，普通凸极转子通过改进加深槽后，在亚同步运行动态特性上也有了一定的提高，总体上而言，3种转子BDFM的亚同步运行特性较理想，但稳定后的转速平滑程度上较同步运行差些，另外，3种转子在亚同步运行状态下的转速大小与式(1)的转速公式计算结果相一致，即也说明了上述3种转子亚同步运行动态特性的仿真结果都是正确的。

最后对超同步运行动态特性进行仿真。其中求解时间为2.5 s，求解步长为0.002 s，功率绕组接380 V、50 Hz正弦交流电源， 0～1 s将控制绕组短路，进行空载异步启动，1 s时给控制绕组接60 V、10 Hz正向序交流电源，从单馈异步运行方式牵入到超同步运行方式，在1.9 s时加40 N·m负载，进行负载超同步运行。

由图9～图11可知，3种转子异步启动后都稳定运行在750 r/min的空载转速上，在1 s时给控制绕组接60 V、10 Hz正向序交流电源，此时可以看出，普通凸极转子BDFM转速和转矩波动幅度很大，并且持续震荡，不能趋于稳定，深槽式凸极转子BDFM转速转矩波动幅度较小，经过大约0.6 s后，在1.6 s左右转速被顺利的牵入到转速900 r/min，深槽加导条式凸极转子BDFM，经过大约0.55 s调整后，在1.55 s左右被顺利牵入到转速900 r/min。在1.9 s时加40 N·m负载，普通凸极转子BDFM转速和转矩依然持续震荡，不能趋于稳定，深槽式凸极转子BDFM在2.4 s左右重新恢复到转速900 r/min，深槽加导条式凸极转子BDFM大约在2.3 s重新恢复到转速900 r/min，两者转矩都被牵到40 N·m，在超同步运行方式下，这两个转子在带载的情况下，依然维持转速不变，体现了较硬的机械特性。

(a)转速曲线(b)转矩曲线

图9 凸极转子超同步运行

图10 深槽式凸极转子超同步运行

图11 深槽加导条凸极转子超同步运行

BDFM在运行时，在控制绕组上所通入的电压有一个稳定的范围，称作BDFM的稳定运行范围[3]，上述普通凸极转子BDFM的转速和转矩不能稳定收敛的原因是控制绕组通入的60 V、10 Hz正向序交流电超出了其稳定运行范围，而通过对普通凸极转子进行改进加深槽后，使原来不在稳定运行范围的控制电压进入到稳定运行范围内，即改进后的深槽式凸极转子BDFM的电压稳定运行范围更大。另外，控制侧电压设定60 V、频率设定10 Hz时，凸极转子可以在亚同步状态下稳定运行，而在超同步状态下转矩和转速持续波动不能收敛，不能稳定运行，即上述仿真结果也顺应了文献[4]所得的结论：无刷双馈电机运行在亚同步状态具有宽的控制电压稳定范围，运行在超同步状态具有窄的控制电压稳定范围。

下面把求解条件中求解时间改为2.7 s，在1 s时给控制绕组改成通入70 V、10 Hz正向序交流电源，从单馈异步运行方式牵入到超同步运行方式，其余求解条件不变，重新对普通凸极转子BDFM超同步运行动态特性进行仿真，得到的70 V、10 Hz普通凸极转子BDFM超同步运行动态特性如图12所示。

(a)转速曲线(b)转矩曲线

图12 凸极转子超同步运行2

从图12得知，在1 s时给控制绕组改接70 V、10 Hz正向序交流电源后，普通凸极转子BDFM转速和转矩可以顺利的收敛，并在1.7 s左右牵入到转速900 r/min，在1.9 s时加40 N·m负载，其转速和转矩经过0.7 s调整，在2.6 s左右转速重新恢复到900 r/min，转矩则被牵入到40 N·m，可见控制绕组通入70 V、10 Hz正向序交流电在普通凸极转子BDFM超同步运行状态下的稳定区间内。

由以上分析可知，无论从单馈异步牵入到超同步运行方式还是机械负载变化稳定性方面，深槽加导式凸极转子BDFM动态响应能力最好，深槽式凸极转子BDFM次之，普通凸极转子BDFM最差。通过对普通凸极转子进行改进加深槽后，其超同步运行动态特性变好了，稳定运行区间也变大了，另外，3种转子在超同步运行状态下的转速大小与式(1)的转速公式计算结果相一致，即也说明了上述3种转子超同步运行动态特性的仿真结果都是正确的。

4 结 语

(1) 3种转子都具备单馈异步自启动能力，深槽加导条式凸极转子启动能力最好，深槽式凸极转子次之，普通凸极转子最差。

(2) 无论是从单馈异步牵入到同步运行方式、到亚同步运行方式还是到超同步运行方式，深槽加导式凸极转子BDFM动态响应能力最好，深槽式凸极转子BDFM次之，普通凸极转子BDFM最差。

(3) 同步、亚同步和超同步运行方式下机械负载变化后的稳定性方面，深槽式凸极转子和深槽加导条式凸极转子BDFM都较理想，而普通凸极转子较之差一些。

(4) 深槽式凸极转子BDFM的电压稳定运行范围比普通凸极转子BDFM大。

(5) 3种转子工作在同步、亚同步和超同步运行状态下，转速和负载大小无关，机械特性较硬。

(6) 3种转子BDFM的同步运行动态特性最好。

(7) 无刷双馈电机运行在亚同步状态具有宽的控制电压稳定范围，运行在超同步状态具有窄的控制电压稳定范围。

[1] 龚晟，杨向宇，王芳媛.无刷双馈电机起源、发展及原理综述[J].微电机，2010，43(8)：79-82.

[2] 王凤翔，张凤阁.磁场调制式无刷双馈交流电机[M].长春:吉林大学出版社，2004.

[3] 邓先明.无刷双馈电机的电磁分析与设计应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] 邓先明，姜建国，伍小杰,等.笼型转子无刷双馈电机的无功功率和稳定性[J].电工技术学报，2008，23(1)：40-47.

Research on Dynamic Characteristic of BDFM with Deep Slot Salient Pole Rotor

XUEBing

(Patent Examination Cooperation Jiangsu Center of the Patent Office, SIPO, Suzhou 215163, China)

Through adding deep slots on the ordinary salient pole rotor, a brushless doubly-fed machine (BDFM) with deep slot salient pole rotor was got. The dynamic characteristics of BDFM with ordinary salient pole rotor and deep slot salient pole rotor were simulated to get the speed and torque waveforms of transition process from single-fed asynchronous operation mode pull into synchronous, sub-synchronous and super-synchronous operation mode as well as from no-load to the load. The results verify the rationality of the design of salient pole rotor with deep slots.

brushless double-fed machine (BDFM); salient pole rotor with deep slots; dynamic characteristics

2014-12-06

TM34

A

1004-7018(2016)06-0027-04

薛冰(1988-)，男，硕士，从事电学专利审查工作。