无刷双馈电机的结构特点与设计原则

【摘　要】　无刷双馈电机的结构型式及其设计方法与常规交流电机具有较大的不同。本文对该电机的基本原理与运行方式进行了简单的描述，对电机的多种定转子结构及其设计原则进行了详细的探讨。
　　【关键词】　无刷　双馈电机　结构　设计

The Structure Feature and Design Principle of Doubly-fed Brushless Machine

Zhang Fengge　Wang Fengxiang　Lin Chengwu
(Shenyang Polytechnic University,Shenyang 110023)

　　【Abstract】　The structure and design method of Doubly-Fed Brushless Machine (DFBM) is quite different from the conventional AC machine.This paper describes briefly the operation principle and modes of DFBM,and discusses detailly the various stator and rotor structures and design principle of the machine.
　　【Keywords】　brushless　doubly-fed machine　structure　design

1 前　言
　　无刷双馈电机是近年来发展起来的一种新型电机。与传统的交流电机相比(包括异步电机和同步电机)，它具有如下特点：
　　(1) 电机身实现了交流电机的无刷化。由于电机转子采用了不需引向外部电路的笼型转子或磁阻式结构［3，4］，所以电机无滑环和电刷，结构上更加安全可靠，降低了维护和运行费用。
　　(2) 可方便地实现多种运行方式。通过改变主、副绕组的供电方式，可以象绕线式感应电机一样，实现电机的软起动、异步运行、同步运行、串级调速和双馈调速等多种运行方式。
　　(3) 当作为变频调速电机应用于电气传动系统时，只需由变流器为电机的副绕组提供“转差功率”，因此可降低所需变流器的容量，降低系统成本。无刷双馈电机调速系统如图1所示。

图1　无刷双馈电机调速系统

　　无刷双馈电机的上述优点，引起了国内外众多学者的研究兴趣，对该种电机及其调速系统进行了大量的研究工作。
　　由于该种电机的结构复杂(可采用多种定转子结构)，其设计原则和设计方法与常规交流电机相比具有较大的不同。本文将对无刷双馈电机多种定转子结构特点与设计原则进行论述与探讨。并给出一台(6+2)极无刷双馈电机的设计实例。

2 无刷双馈电机的定子绕组设计
　　无刷双馈电机的定子铁心无异于常规交流电机的定子铁心，设计时一般可借用现有相应产品规格的定子冲片，以降低制造成本。然而，无刷双馈电机的定子绕组却与传统交流电机有较大的不同。
2.1 主、副绕组极数的确定
　　电机的极数决定了电机的转速，因此可根据对电机转速的要求合理地选择主、副绕组的极数。
　　当定子主、副绕组的极数分别选择为2p和2q时，无论采用笼型或磁阻式结构，电机转子的极对数一般选为：pr＝p+q，这时的无刷双馈电机等效于一台(2p+2q)极的交流电机。当双馈运行时，电机转速与主、副绕组电流频率和电机极数之间的关系为

(1)

　　若主、副绕组电流同相序时，上式取正号，否则取负号。这时的变流器应是双向可逆的。只需为电机提供部分功率。当f2＝0时，nr0＝60f1/(p+q)称为该种电机的同步速。
　　例如，如果要设计一台同步速为750r/min的无刷双馈电机、可选择主、副绕组的极数分别为：2p＝6,2q＝2。
　　从电机的工作原理上看，2p极和2q极绕组皆可作为主绕组，但通常情况下一般选择极数多的绕组作为主绕组(直接与工频电网相连)，以承担电机的大部分功率；极少数的绕组用于承担励磁功率。因此，一般取2p>2q。
　　另外，为了避免共存于同一电机中的两个不同极数的磁场产生不对称磁拉力和电磁噪声，还要求：p-q≥2。
2.2 主、副绕组型式的确定
　　无刷双馈电机的定子绕组一般有两种型式。一种是单绕组型式，即从单一的定子绕组中引出两个端口(如3Y)，从不同端口看进去时，绕组应呈现不同的极数2p和2q。这样单一的定子绕组同时起到了主、副绕组的作用。两种不同频率的电流同时流入不同的端口时，在电机内形成不同极数、不同转速的旋转磁场。设计的单定子绕组对于2p极和2q极必须是各自对称的，使两种电流“互不干扰”。
　　对于远极比的无刷双馈电机，由于两种极数绕组参数相差过大，采用单绕组方案比较困难，这时可采用双绕组设计方案，即极数分别为2p和2q的两套独立三相对称绕组，这时两种极数的绕组皆能得到较充分的利用。当采用双绕组方案时，为了避免三次谐波磁场在定子绕组中产生环流，一般多采用Y型接法。
　　假定(6+2)极无刷双馈电机的定子槽数z1＝36。其定子绕组既可采用单绕组方案，亦可采用双绕组方案。图2给出了定子单绕组方案的接线图，这一方案采用的是120°相带双层分布叠绕组，从abc端口看进去时呈现2极，从ABC端口呈现6极。如采用双绕组，可按6极和2极绕组的排列关系分别设计，既可用单层绕组，也可用双层绕组。
　　采用单绕组的好处是定子槽和绕组的利用率高，铜损耗相对小些，但设计困难，不易得到主、副绕组两全其美的方案。双绕组方案虽然槽利用率低些，但设计容易，便于获得主、副绕组之间较理想的耦合关系。

图2　36槽(6+2)极无刷双馈电机定子单绕组方案之一

2.3 主、副绕组节距的选取
　　如采用单绕组方案，2p极和2q极共用相同的绕组，只有一种线圈节距，故选取时应对两种极数兼顾，使其既有利于提高两个端口绕组之间的耦合，又有利于尽可能消除不参与机电能量转换的其它次谐波磁场，降低电机损耗。
　　为了使绕组设计有较大的选择余地，目前无刷双馈电机多采用双绕组方案。这时可按2p极和2q极各自的理想方案选取绕组节距和确定绕组排列，它们可分别采用独立的双层短距分布绕组，以使各自的基波绕组系数尽可能大，其它高次谐波的绕组系数尽可能小。
　　对于本文设计的(6+2)极电机，采用双绕组方案时，绕组节距的选择比较容易，对于6极绕组，可选理想节距：；对于2极绕组，可选理想节距：。当采用单绕组方案时，线圈节距的选取应兼顾6极和2极磁场的需要。表1给出了选择不同的节距y时，6极和2极短距系数对比。从表中可以看出，节距y的合理选择应为y＝8，这时ky6和ky2均较大，特别是ky6.ky2的数值最大，这正是无刷双馈电机所希望的，因为电机的出力与性能与主副绕组之间的互感密切相关，而这一互感值与ky6和ky2的乘积成正比。

表1　不同节距y时，6极短距系数ky6和2极短距系数ky2的对比

y456789101112 ky60.8660.96610.9660.8660.7070.50.2590 ky20.3420.4230.50.5740.6430.7070.7660.8190.866 ky6.ky20.2960.4090.50.5540.5570.50.3830.2120 2.4 主副绕组匝数与线规的选取
　　定子的主副绕组共嵌于同一定子铁心中，它们所形成的磁场共用同一磁路，电机的输入功率也由两个绕组共同承担。因此，合理地选取主副绕组的匝数和线规，最大限度地利用电机的有效材料，是决定电机出力和性能指标的重要因素。
　　当电机只工作在单一运行方式时，可按该种运行方式的工况来选择主副绕组的匝数与线规。如同步运行方式时，可按电机所需的直流励磁功率选择副绕组的线规和匝数，然后相应决定主绕组的参数。如电机工作在双馈运行方式下，则要根据主副绕组的电压等级、频率变化范围(速度范围)和它们对电机出力的“贡献”来综合考虑它们的线规与匝数。频率变化范围(速度范围)和它们对电机出力的“贡献”来综合考虑它们的线规与匝数。
　　当电机需要工作在多种运行方式时，主副绕组的设计参数则需要综合考虑。

3 电机转子的设计
　　无刷双馈电机的转子同时耦合着极数不同的定子主、副绕组，其“极数转换器”作用的强弱直接影响着电机的性能。
3.1 电机转子极数的选取
　　对于无刷双馈电机，当定子主副绕组的极数分别为2p

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