笼条对磁阻转子电励磁同步电机性能影响*

蒋晓东， 王秀平

(1.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院,辽宁 沈阳 110159；
2.沈阳工程学院 电力学院,辽宁 沈阳 110136)

在工业生产中，永磁同步电机以其高效节能、结构简单和动态响应快等优点得到了广泛的应用[1-2]。然而在一些特殊环境，如高温、高盐度和高湿度的“三高”环境下，永磁体容易失磁，由此导致电机性能急剧下降，造成不可逆的损失[3-5]。另外永磁材料作为国家重要战略资源，近几年其产量受到国家严格的控制，其价格不断上涨，永磁电机成本随之不断增加。因此，研发在特殊环境下能够替代永磁电机的新型电机成为时下迫切的需求[6-8]。

电励磁同步电机因其效率较高、调节励磁方便等优点受到了广泛的关注[9-11]。然而常规电励磁同步电机内部存在电刷和滑环装置，在运行过程中容易产生电火花。为了提高电励磁电机的可靠性，无刷电励磁电机将逐渐替代有刷电励磁电机成为未来的发展趋势。

针对无刷电励磁电机的研究已经取得了一定的进展。文献[12]提出了一种新型电励磁无刷同步电机，该电机取消了传统同步电机转子侧的电刷和滑环，而且不需要单独采用励磁机励磁，结构比较简单，通过仿真分析和试验研究，验证了所提新型无刷电励磁同步电机设计的合理性。文献[13]提出了一种新型无刷电励磁同步发电机方案，该发电机的优势是可以在宽转速范围内进行励磁调节，同时采用功率等级较低的整流器以及电压等级较低的功率器件降低整个系统的成本。文献[14]提出了一种磁阻转子定子电励磁无刷同步电机(SEEBSM)，分析了其磁场调制机理，利用有限元方法得到了该电机在空载和负载运行时的电磁特性。

本文在已有研究的基础上，进一步分析笼条对磁阻转子SEEBSM性能的影响。分别阐述了带笼条的磁阻转子结构、笼条排布方式以及运行原理，研究了转子添加笼条后对其电磁性能和温度的影响，包括转子有、无笼条与不同笼条组合形式对电机转速的影响，笼条对带负载能力的影响，以及笼条对电机负载稳定运行时温升的影响等。

SEEBSM定子铁心可以直接采用感应电机定子结构，以降低定子冲片的设计难度以及加工成本。定子槽内嵌套有两种不同极数的绕组，即三相电枢绕组和单相励磁绕组，其中电枢绕组采用双层短距绕组，而励磁绕组则采用单层等跨距绕组。

当SEEBSM稳态运行时，电枢绕组和励磁绕组会分别在气隙中产生一个圆形的旋转磁场和一个静止的恒定磁场。这两个磁场通过带笼条的磁阻转子进行调制，从而实现磁场之间的耦合，并最终在转子上输出稳定的电磁转矩。设电枢绕组极对数为pp，励磁绕组极对数为pL，该电机等效极对数p为pp+pL，同步转速n1可以表示为

(1)

式中：f1为电网供电频率。

带笼条的磁阻转子SEEBSM二维结构模型如图1所示，其中笼条包括公共笼条和短接笼条，排布方式如图2所示。SEEBSM运行方式接线示意图如图3所示。

图1 SEEBSM结构模型

图2 笼条在转子中的排布方式

图3 SEEBSM运行方式接线示意图

由图3可知，当S1开关闭合时，励磁绕组与起动电阻R连接，SEEBSM起动。当转速稳定后，断开S1开关，闭合S2开关，由励磁控制器给励磁绕组提供直流电，SEEBSM随后进入同步运行阶段，此时转速为同步转速。

本文采用有限元方法对图1所示的带笼条磁阻转子SEEBSM的电磁性能进行仿真研究，主要参数如表1所示。有、无笼条结构下的磁阻转子SEEBSM异步起动过程中转速随时间的变化如图4所示。

表1 主要参数

图4 磁阻转子有、无笼条下转速随时间变化曲线

由图4可知，在磁阻转子中添加笼条后，转速随时间变化显著，说明笼条可以改善SEEBSM的起动性能，使该电机在较短时间内进入异步运行阶段。另外，短接笼条对磁阻转子SEEBSM起动性能的影响效果优于公共笼条。在保证公共笼条不变的前提下，短接笼条数量对SEEBSM转速的影响如图5所示。

图5 公共笼条+短接笼条不同组合下的转速变化曲线

由图5可知，短接笼条层数越多，SEEBSM进入异步运行阶段的时间越短。当短接笼条层数为3层时，稳定运行后的转速更接近同步运行转速，说明短接笼条的层数越多，SEEBSM进入同步运行的能力越强。

当磁阻转子SEEBSM稳定运行于同步阶段后，分别给有笼条SEEBSM和无笼条SEEBSM加50 N·m负载，在保证给各自提供相同的励磁电源的情况下，转速随时间变化如图6所示。

图6 50 N·m负载下笼条对转速变化影响对比

由图6可知，在相同励磁情况下，有笼条磁阻转子SEEBSM在5 s时刻加50 N·m负载后，转速可经过较短时间逐渐恢复到同步转速。无笼条磁阻转子SEEBSM在8 s时刻加50 N·m负载后，转速出现波动而后逐渐失步。当提高励磁电流后，无笼条磁阻转子SEEBSM在加50 N·m负载后，转速波动一段时间后逐渐稳定在同步转速。仿真结果说明笼条能够提高SEEBSM的带负载能力，或者说要保持相同的带负载能力，需要提供更大的励磁电流。

综合上述仿真结果可知，在磁阻转子中添加笼条可以明显改善SEEBSM的起动性能和带负载能力，这是因为将笼条与磁阻转子单独分析，SEEBSM转子可以等效为“磁阻转子+笼型转子”形式。理想笼型转子等效气隙比磁导函数与理想磁阻转子等效气隙比磁导函数基本相同，说明两种结构类型的转子对定子绕组磁动势具有类似的调制作用。因此，在磁阻转子内添加笼条可认为是在磁阻转子调制能力的基础上，进一步增强了转子的调制能力，从而使电机电磁性能得到明显改善。

有笼条磁阻转子SEEBSM励磁绕组和电枢绕组电流随时间的变化如图7所示。由图7可知，在5 s时刻突加50 N·m负载，励磁绕组电流激增至8.99 A，经过0.4 s后稳定在5.41 A左右。电枢绕组电流在加负载前后幅值变化不显著，加负载后最终稳定在12.7 A。电机起动及加载过程中转矩随时间的变化如图8所示。

图7 50 N·m负载下绕组电流随时间变化曲线

图8 50 N·m负载下转矩随时间变化曲线

由图8可知，电机起动转矩较大，瞬时峰值达到430 N·m，随着转速不断上升，转矩逐渐趋于平稳。在5 s时刻突加50 N·m负载，转矩瞬间增大，转速波动一段时间后，恢复同步转速，转矩最终稳定在50 N·m左右。负载稳定运行的磁场分布如图9所示。由图9可知，该电机负载稳定运行后磁力线为6极分布，与其等效极对数一致，且漏磁较少。另外磁密最大值为1.8 T左右，材料利用率较高。

图9 负载运行时SEEBSM磁场分布云图

为了研究笼条对磁阻转子SEEBSM稳定运行时温升的影响，采用有限元方法对该电机额定负载下稳定运行于同步转速时的温度场进行了仿真研究。由于电机结构周向对称，为了缩短仿真时间，建立1/6整机模型作为求解区域，如图10所示。其中图10(a)为无笼条磁阻转子SEEBSM求解区域，图10(b)为有笼条磁阻转子SEEBSM求解区域。为了计算方便，做如下假设：

(1) 将定子槽内所有绝缘等效为一个绝缘实体结构，采用一个等效导热系数；

(2) 电机浸渍漆填充均匀、定子绕组绝缘漆分布均匀、定子槽绝缘与定子铁心之间紧密接触无间隙；

(3) 电枢绕组和励磁绕组端部伸出部分长度用等效直线的伸出长度表示；

(4) 忽略对仿真结果影响不大却影响网格剖分精度的零部件，如螺栓、螺母、螺钉和垫圈等。

图10 温度场求解模型

由于将定子槽内各种绝缘等效为一个绝缘实体，因此根据绝缘等级和试验得到的经验数据，确定等效绕组绝缘的导热系数[15]，SEEBSM各结构导热系数如表2所示。

表2 主要材料导热系数 W·(m·K)-1

另外，机壳表面对流散热系数ɑfr为[15]

(2)

式中：Vx为平均风速。

损耗作为热源将直接影响电机的稳态温升，采用有限元方法分别对磁阻转子SEEBSM在有、无笼条下的损耗进行计算，结果如表3所示。其中，定、转子铁心损耗、定子槽内绕组损耗以及转子笼条铜耗均可通过有限元仿真得到。杂散损耗根据文献[16]近似按2.9%的额定功率选取。机械损耗为轴承摩擦损耗，可采用下式计算[17]：

(3)

式中：F为轴承载荷；
v为滚动轴承滚珠中心圆周速度；
d为滚珠中心直径。

表3 SEEBSM损耗 W

两种磁阻转子SEEBSM主要结构稳态温度场分布如图11所示。另外，主要结构最高温升对比结果如表4所示，环境温度为25 ℃。

图11 主要结构温度分布

由表4可知，带笼条后磁阻转子SEEBSM各主要结构温升均有不同程度的增大。其中定子最高温升增大了31.5%，转子最高温升增大了32.0%，电枢绕组和励磁绕组最高温升分别增大了25.3%和19.5%。综上所述，在磁阻转子SEEBSM中添加笼条会导致电机主要结构温升明显增大，但是该电机采用F级绝缘等级，因此绝缘材料并不会因温升的增大而损坏。

表4 各结构最高温升对比 ℃

本文研究了笼条结构对磁阻转子SEEBSM电磁性能以及温度的影响。通过分析可知，在磁阻转子中添加笼条可以明显改善电机的起动性能，且短接笼条对起动性能的影响效果要优于公共笼条，短接笼条层数越多对电机牵入同步越有利。在磁阻转子中添加笼条可以提高SEEBSM的带负载能力，然而其会使该类电机负载稳定运行时主要结构的稳态温升增大19.5%～32%。本文的研究成果可以提高磁阻转子SEEBSM的电磁性能，为后续样机的研制提供支撑。