張鳳閣　賈廣隆，2　鄭　陽　關(guān)　濤　藺　明

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院　沈陽　110870

2.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司　株州　412001)

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無刷電勵磁同步電機(jī)不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對比分析

張鳳閣1賈廣隆1，2鄭陽1關(guān)濤1藺明1

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院沈陽110870

2.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司株州412001)

摘要研究了一種特殊結(jié)構(gòu)的無刷電勵磁同步電機(jī)，該種電機(jī)由無刷雙饋電機(jī)衍化而來，其取消了電刷和滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，減少了維護(hù)費(fèi)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(xì)介紹了該種電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行機(jī)理，分別推導(dǎo)了磁障轉(zhuǎn)子和混合轉(zhuǎn)子無刷電勵磁同步電機(jī)的等效電路和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式。為分析這兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對電機(jī)性能的影響，對該種電機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真研究，并研制了兩臺具有相同定子、不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)，測量了兩臺樣機(jī)的定子繞組電感參數(shù)，對樣機(jī)的不同運(yùn)行方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：混合轉(zhuǎn)子無刷電勵磁同步電機(jī)的起動能力和帶載能力較好；磁障轉(zhuǎn)子無刷電勵磁同步電機(jī)的損耗略小。

關(guān)鍵詞：無刷勵磁同步電機(jī)混合轉(zhuǎn)子磁障轉(zhuǎn)子

0引言

永磁電機(jī)具有體積小、無刷可靠及高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)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(lǐng)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(jī)的成本不斷增加。少用或不用稀土永磁材料成為許多學(xué)者的研究方向[3]。

電勵磁同步電機(jī)受到了廣泛關(guān)注。常規(guī)的電勵磁同步電機(jī)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(diǎn)，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(jī)取消了電刷和滑環(huán)，在運(yùn)行過程中不易產(chǎn)生火花，減小了電機(jī)日常維護(hù)量，降低了在爆炸性氣體環(huán)境中使用的事故率。但旋轉(zhuǎn)整流器的存在使整個系統(tǒng)體積增加，同時增加了運(yùn)行的不可靠性[7，8]。

本文研究了一種無刷電勵磁同步電機(jī)(Brushless Electrically-Excited Synchronous Machine，BEESM)，其設(shè)計思想來源于常規(guī)電勵磁同步電機(jī)和無刷雙饋電機(jī)[9-11]。該種電機(jī)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(zhuǎn)子上取消了電刷和滑環(huán)，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡單、運(yùn)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(guān)系，是通過特殊轉(zhuǎn)子進(jìn)行間接耦合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。因此轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)是影響該種無刷電勵磁同步電機(jī)性能和耦合能力的關(guān)鍵性因素。目前常用的磁阻轉(zhuǎn)子有各向異性軸向疊片ALA磁阻轉(zhuǎn)子[12]和徑向疊片磁阻轉(zhuǎn)子[13-17]。ALA轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生渦流損耗，徑向疊片轉(zhuǎn)子雖然不產(chǎn)生渦流損耗，但起動性能并不是很好?；\型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子好[18，19]。

本文提出了一種磁障轉(zhuǎn)子和籠型轉(zhuǎn)子相結(jié)合的混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。詳細(xì)介紹了新型BEESM的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，推導(dǎo)出兩種轉(zhuǎn)子的等效電路，并對其特性進(jìn)行了仿真研究。為了進(jìn)一步研究兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對該種電機(jī)性能的影響，本文設(shè)計和研制了兩臺具有相同定子、不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)。一臺樣機(jī)的轉(zhuǎn)子為磁障磁阻轉(zhuǎn)子，另一臺樣機(jī)的轉(zhuǎn)子為混合轉(zhuǎn)子。對這兩種轉(zhuǎn)子樣機(jī)電感參數(shù)進(jìn)行了測量，并對其性能進(jìn)行了大量的對比實(shí)驗(yàn)研究。

1電機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子和混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Structure diagram of hybrid rotor and magnetic barrier rotor

當(dāng)BEESM穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，電樞繞組在電機(jī)的氣隙中形成一個圓形的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)間接的耦合，并在轉(zhuǎn)子上形成電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)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(dāng)BEESM作為電動機(jī)運(yùn)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(jī)的起動性能。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)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(jī)將運(yùn)行在同步運(yùn)行方式。電機(jī)的同步轉(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)矩表達(dá)式

2.1磁障轉(zhuǎn)子BEESM等效電路和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

當(dāng)BEESM穩(wěn)定運(yùn)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(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(jī)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(biāo)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(jī)的計算氣隙函數(shù)，其表達(dá)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)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(dá)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子無刷電勵磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

(23)

從等效電路可看出無刷電勵磁同步電機(jī)與常規(guī)的有刷電勵磁同步電機(jī)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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩等于2(p+q)極同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

2.2混合轉(zhuǎn)子BEESM等效電路和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

(24)

式中

(25)

(26)

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

(27)

(28)

由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁通密度為

(29)

當(dāng)v=p時，代入式(29)和式(26)，可求出2p極磁場分量和它所對應(yīng)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(yīng)的系數(shù)，分別如式(32)～(35)所示。

(32)

(33)

(34)

(35)

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

(36)

式中轉(zhuǎn)子繞組函數(shù)npr/2為

(37)

則轉(zhuǎn)子繞組的自感為

(38)

同理可求出兩套定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組之間的互感分別為

(39)

(40)

轉(zhuǎn)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(dāng)忽略其電阻，轉(zhuǎn)子電流的近似表達(dá)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(zhuǎn)子的無刷電勵磁同步電機(jī)的電壓平衡方程可表示為

(50)

再考慮磁障轉(zhuǎn)子的磁場調(diào)制作用，根據(jù)已推導(dǎo)出磁障轉(zhuǎn)子的電壓平衡關(guān)系，可寫出混合轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子無刷電勵磁同步電機(jī)的等效電路圖，如圖4所示。

圖4　混合轉(zhuǎn)子BEESM的等效電路Fig.4　Equivalent circuit of BEESM with hybrid rotor

混合轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電勵磁同步電機(jī)與磁障轉(zhuǎn)子無刷電勵磁同步電機(jī)具有相似的等效電路形式。類似于磁障轉(zhuǎn)子電勵磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，混合轉(zhuǎn)子BEESM表達(dá)式為

(53)

式中

(54)

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

3無刷電勵磁同步電機(jī)的特性仿真

本文設(shè)計和研制的無刷電勵磁同步電機(jī)的參數(shù)如表1所示。當(dāng)BEESM作為電動機(jī)運(yùn)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(jìn)而限制單軸轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)速小于1/2同步轉(zhuǎn)速時，單軸轉(zhuǎn)矩是一個正值，但當(dāng)轉(zhuǎn)速在1/2同步轉(zhuǎn)速附近時，單軸轉(zhuǎn)矩會突然減小變?yōu)樨?fù)值。這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)速可能會卡在1/2同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子和混合轉(zhuǎn)子BEESM的異步起動、牽入同步和突加負(fù)載進(jìn)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(fù)載。轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子BEESM從起動到異步運(yùn)行所需的時間是0.22 s。磁障轉(zhuǎn)子BEESM從起動到異步運(yùn)行所需的時間是0.78 s。從圖5b和圖6b中可看出，混合轉(zhuǎn)子BEESM的起動轉(zhuǎn)矩更大一些，也更穩(wěn)定一些。從兩種轉(zhuǎn)子BEESM的轉(zhuǎn)速變化曲線和電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線可看出，混合轉(zhuǎn)子無刷電勵磁同步電機(jī)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(zhuǎn)子BEESM轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線Fig.5　Variable curve of speed and electromagnetic torque of BEESM with hybrid rotor

圖6　磁障轉(zhuǎn)子BEESM轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線Fig.6　Variable curve of speed and electromagnetic torque of BEESM with magnetic barrier rotor

4實(shí)驗(yàn)研究

圖7為BEESM的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號傳遞給功率分析儀，由功率分析儀讀取電機(jī)瞬時的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值，電機(jī)的效率也通過功率分析儀進(jìn)行計算。渦流測功機(jī)為電機(jī)提供負(fù)載。圖8中的轉(zhuǎn)子分別為樣機(jī)的磁障轉(zhuǎn)子和混合轉(zhuǎn)子。

圖7　無刷電勵磁同步電機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺Fig.7　Experiment platform of BEESM

圖8　兩個不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)子位置的電壓和電流數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得到磁障轉(zhuǎn)子和混合轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子樣機(jī)電感Fig.9　Inductances parameter of the prototype with magnetic barrier rotor

圖10　混合轉(zhuǎn)子樣機(jī)電感Fig.10　Inductances parameter of the prototype with hybrid rotor

從圖9和圖10可看出，混合轉(zhuǎn)子BEESM定子兩繞組之間的互感比磁障轉(zhuǎn)子BEESM略大，而混合轉(zhuǎn)子BEESM繞組的自感明顯小于磁障轉(zhuǎn)子，驗(yàn)證了本文推導(dǎo)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(jī)的耦合能力越強(qiáng)。從電感參數(shù)可看出，混合轉(zhuǎn)子比磁障轉(zhuǎn)子具有更強(qiáng)的磁場調(diào)制能力，這是由于混合轉(zhuǎn)子的公共籠條加強(qiáng)了對磁通路徑的“限定性”，進(jìn)一步增強(qiáng)了機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的能力。

4.2異步起動特性

無刷電勵磁同步電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行時可以自起動，不需要其他輔助設(shè)備。當(dāng)勵磁控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，可將電機(jī)與勵磁控制系統(tǒng)斷開，勵磁繞組短接，電機(jī)工作在異步運(yùn)行狀態(tài)。電勵磁同步電機(jī)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(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀和功率分析儀分別記錄了磁障轉(zhuǎn)子和混合轉(zhuǎn)子BEESM的起動和異步運(yùn)行特性曲線，如圖11～圖13所示。

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

圖11　異步起動轉(zhuǎn)速波形Fig.11　Waveforms of asynchronous operation

圖12　磁障轉(zhuǎn)子樣機(jī)起動特性Fig.12　Starting characteristics of prototype with magnetic barrier rotor

圖13　復(fù)合轉(zhuǎn)子樣機(jī)起動特性Fig.13　Starting characteristics of prototype with hybrid rotor

4.3電動機(jī)同步運(yùn)行特性

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

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

圖14　不同轉(zhuǎn)子BEESM運(yùn)行性能對比Fig.14　Comparison of operation performance of BEESM with different rotors

5結(jié)論

本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的無刷電勵磁同步電機(jī)，介紹了該種電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，并推導(dǎo)出磁障轉(zhuǎn)子和混合轉(zhuǎn)子BEESM的等效電路和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了磁障轉(zhuǎn)子和混合轉(zhuǎn)子BEESM樣機(jī)，并對兩臺樣機(jī)的特性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，同時驗(yàn)證了該種電機(jī)原理的正確性。從兩臺樣機(jī)的電感參數(shù)可看出，混合轉(zhuǎn)子BEESM的耦合能力更強(qiáng)。磁障轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子BEESM的性能好于磁障轉(zhuǎn)子BEESM。

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張鳳閣男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制和新能源技術(shù)。

E-mail：zhangfg@sut.edu.cn

賈廣隆男，1987年生，博士研究生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)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(xué)基金(51277125，51537007)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20122102110004)和歐盟第七框架計劃項(xiàng)目(318925)資助。