无刷双馈电机的结构特点与设计原则

和2q时，为了实现电机转子的极数转换作用，电机转子的极对数有两种选择［1］，即

pr＝p±q

(2)

当pr＝p+q时称为“和调制”；当pr＝p-q时，称为“差调制”。显然，“和调制”的等效极数较多，电机转速较低；而“差调制”的等效极数较少，电机转速较高。采用“差调制”时，两种极数的定子绕组电流产生的电磁转矩方向相反，电机的起动转矩较小，整个电机的电磁功率为定子两种极数绕组提供的电磁功率之差；而采用“和调制”的无刷双馈电机的电磁转矩为定子两种极数绕组提供的电磁功率之和。相比之下，“和调制”方式电机具有较好的特性，故通常多采用“和调制”的方式。
　　对于(6+2)极的无刷双馈电机，为了实现“和调制”方式，需选取pr＝4。
3.2 转子结构型式的选取
　　由于无刷双馈电机具有自起动性能，不需要在转子上设置起动笼。图3示出了无刷双馈电机通常采用的四种转子结构型式(pr＝4)

(a) 笼型分布短路绕组转子

(b) 普通凸极磁阻转子

(c) 带磁障的磁阻转子

(d) 轴向叠片(ALA)磁阻转子

图3　无刷双馈电机常用转子结构型式

　　无论哪种转子结构，其作用均是通过“限定磁通路径”，以产生交直轴方向的磁阻差别，从而使主副绕组产生的不同极数的气隙磁场得以调制［4］。
　　一般认为［5］，(a)转子的制造工艺简单，其磁场耦合作用也比较理想，是无刷双馈电机的常用转子结构型式之一；(b)、(c)、(d)转子均属于磁阻式转子结构。由于(b)转子的d轴、q轴磁阻差别太小，磁场调制作用相对较弱，实际上很少采用。(c)转子的极数转换器作用比(b)转子要强得多，介于(b)和(d)转子之间，但仍不十分理想。由于d、q轴磁阻相差较大，目前公认较理想的转子结构是(d)转子，这种转子虽然制造工艺比较复杂，但确是无刷双馈电机较理想的转子结构型式。
3.3 笼型转子(a)槽数与绕组型式的确定
　　在主副绕组的极数2p、2q以及定子槽数都已确定以后，转子槽数的选取是至关重要的，因为它既要考虑到电机的“槽配合”问题，又要使得pr组同心式短路线圈满足对称关系。
　　为了避免由于齿槽效应产生的低速转矩脉动、起动时的同步寄生转矩和电机运行过程中过大的噪声，定子槽数z1和转子槽数z2不能相等，而且z1和z2之差不能等于：

±6k1N　(k1＝1,2,……)

(3)

±2N,±4N,±10N

(4)

±1，±2，±(2N±1)

(5)

对于无刷双馈电机，N即为p又为q。
　　为了满足pr组同心式短路线圈的对称关系，转子槽数z2还应满足

z2＝k2.pr(k2＝1,2,……)

(6)

对于定子槽数为z1＝36的(6+2)极无刷双馈电机，根据上述原则，转子槽数z2的可选值为：4、8、16、20、52、56、64等。考虑到“近槽”与“少槽”配合的要求，显然，该电机转子槽数的合理取值为z2＝20槽。这时，笼型转子绕组可选用图4所示两种绕组型式之一。

(a) 有公共笼条

(b) 无公共笼条

图4　无刷双馈电机的笼型转子绕组型式

3.4 各向异性轴向叠片转子(d)设计中应注意的问题
　　(d)转子之所以优于(b)和(c)转子，原因在于即使在一定饱和程度下，电机的凸极比(xd/xq)仍可保持较大数值，转子的“极数转换器”作用显著。
　　对于(d)转子来讲，有几个设计参数直接影响到d轴电感值和理想凸极比，合理选择它们非常重要。这些参数是：
　　.极距与气隙长度之比kp＝τ/δ，其中τ＝πDi/pr,Di为定子内径。
　　.极靴宽度张角(等同于同步电机的极弧系数)αp。
　　.非导磁叠层和导磁叠层厚度之比kt＝t2/t1。
　　研究结果表明［7］，在保持较大d轴电感值前提下，取值kp>400,kt＝0.5～1.0，αp＝120°～140°较好。即使在一定饱和程度下，电机的凸极比仍可保持较大数值(xd/xq≥10)。这正是无刷双馈电机所希望的。

4 结　论
　　无刷双馈电机结构上的复杂性和多样性，决定了该种电机设计原则和设计方法与传统交流电机有较大的不同。
　　定子主绕组的极数2p和副绕组的极数2q应满足2p>2q，且p-q≥2的关系。采用单定子绕组的好处是槽利用率高，但设计困难；双绕组方案容易设计，有利于提高主、副绕组之间的耦合。
　　当采用“和调制”时，电机转子的极对数pr应等于p+q。笼型转子槽数的选取不是任意的。笼型短路绕组制造工艺简单，便于在大中型无刷双馈电机中推广应用。ALA转子“极数转换器”作用显著，但制造工艺复杂，设计参数的选择应满足所需凸极比的要求。

基金项目：国家自然科学基金资助项目，59577004
第一作者简介：张凤阁，男，1963年，副教授、在职博士研究生
作者单位：沈阳工业大学　沈阳 110023

参考文献
1　Heyne CJ，El-Antably AM.Reluctance and doubly-Excited Reluctance Motors.ORNL/Sub/81-95013/1,November,1984
2　Broadway ARW,Burbridge L.Self-Cascade Machine:A Low-speed Motor or High-Frequency Brushless Alternator.Proc.IEE,1970,117(7):1277-1290
3　王凤翔，张凤阁等.一种异同步通用无刷交流电机的工作原理与运行特性.电工电能新技术.1995;(4):1～5
4　王凤翔，张凤阁等.定子双馈磁阻电机的气隙磁场分析与设计特点.电工技术学报.1996;11(3):6-10
5　Xu Longya,Wang Fengxiang.Comparative Study of Magnetic Coupling for a Doubly-Fed Brushless Machine with Reluctance and Cage Rotors.Conference of IEEE IAS,1997:326-332
6　Wallace Alan K,A Design Procedure For the Brushless Doubly-Fed Machine Adjustable Speed Drive.ICEM,1994
7　辜承林等.高密度轴向迭片式ALA转子同步电机的优化设计.中国电机工程学报，1998；18(1)

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