宋運雄，彭曉，劉萬太

(1 湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412008;2 湖南工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南湘潭411101;3 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，湖南湘潭411100)

0 引言

無刷雙饋電機(Brushless Doubly-fed Machines簡稱BDFM)是在自級聯(lián)異步電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種異同步通用的新型交流調(diào)速電機，其定子上有兩套極對數(shù)不同的功率繞組和控制繞組，它取消了電刷和滑環(huán)，通過轉(zhuǎn)子的磁動勢諧波對定子不同極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場進行調(diào)制，進而實現(xiàn)電機的機電能量轉(zhuǎn)換。當功率繞組和控制繞組同時供電時，定子繞組中將產(chǎn)生兩個獨立的不同極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場，為使兩個電源互不干擾，功率繞組pp對極旋轉(zhuǎn)磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，應(yīng)在控制繞組pc對極繞組的三個出線端(控制端口)間無電勢差;當控制端口通電時，就不會引起工頻電源的附加電流;同理要求控制繞組pc對極旋轉(zhuǎn)磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，也應(yīng)在功率繞組pp對極繞組的三個出線端(功率端口)間無電勢差，這樣設(shè)計的定子繞組，可達到兩個電源彼此獨立、且無電功率的直接傳遞、同時又能控制雙饋電機轉(zhuǎn)速的目的。繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機接線靈活，可以通過合理的設(shè)計來提高兩種基波極對數(shù)的繞組系數(shù)，同時削弱甚至消除其他諧波，從而克服了特殊籠型轉(zhuǎn)子的固有缺點，并可望獲得更好的性能。本文對繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的設(shè)計理論進行了論述，并結(jié)合實例給出定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組具體不同的設(shè)計方案，并對方案進行了具體的環(huán)流分析和驗證。

1 定子雙套繞組的設(shè)計

1.1 繞組方案的確定

定子雙套繞組設(shè)計步驟如下

(1)畫出功率繞組的槽號相位圖，并按要求確定相屬;(2)畫出控制繞組的槽號相位圖，并按要求確定相屬;(3)劃分線圈組，把確定的線圈組放到對方對應(yīng)的槽號相位圖下面，并分析繞組的環(huán)流情況及互感產(chǎn)生情況，進而確定繞組接法。

以54 槽6/2 極為例，其6 極和2 極的單極槽號相位圖如圖1 所示。

圖1 54 槽6 極和2 極的單極槽號相位圖

由于三相繞組是對稱的，故只要研究其中一相(例如A 相)就可以了，其他兩相可以根據(jù)對稱性求出(下同)。這里我們假定功率繞組為60°相帶繞組，采用的是2Y 接法，則此時A 相的6 個線圈組分別為:A1(1，2，3);A2(-10，-11，-12);A3(19，20，21);A4(-28，-29，-30);A5(37，38，39);A6(-46，-47，-48)，再把這六組分為兩大組，每組三小組，如，A1、A3、A5 一組，A2、A4、A6 一組，于是得到其繞組線圈連接圖如圖2(a)所示?？刂评@組采用的是正規(guī)120°相帶繞組單Y 接法，同樣得到其繞組線圈連接如圖2(b)所示。

圖2 54 槽6/2 極的繞組接線圖

1.2 繞組環(huán)流及互感產(chǎn)生情況分析

定子功率繞組A 相的槽號相屬在定子控制繞組兩極下的分布情況如圖3(a)所示。A1、A3、A5 三者之間電勢互差120°，故得其合成電勢為0;A2、A4、A6 三者之間的電勢差也是120°，這樣其合成電勢為0，也即是按照圖示接法。

定子功率繞組對定子控制繞組是沒有互感電勢產(chǎn)生的。同理，定子控制繞組A 相相屬在定子功率繞組六極下分布情況如圖3(b)所示，1 至9 的合成電勢在5 的中間處，10 至18 的合成電勢在14 的中間處，而5 和14 的電勢互差(14-5)×360°/18=180°，這樣兩者的電勢之和必為0，也即是按照圖示接法，能保證定子控制繞組對定子功率繞組沒有互感電勢產(chǎn)生。

圖3 定子繞組環(huán)流及互感產(chǎn)生情況分析圖

2 轉(zhuǎn)子單套繞組的設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)子單套繞組設(shè)計步驟

變極法的原理主要是利用級聯(lián)式無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子兩套繞組反相序串級聯(lián)接的思想，它是將單繞組變極理論引入到轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計中，構(gòu)成一個多相自閉合多支路回路的對稱繞組結(jié)構(gòu)，使得同一套繞組對兩種極對數(shù)既能感應(yīng)電勢產(chǎn)生電流，又能作為對方的激磁源，這樣便可強制產(chǎn)生兩種不同極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場。這里采用自并聯(lián)法，所謂自并聯(lián)法，就是將生成的2pp對極磁場的每相繞組用三條并聯(lián)支路來構(gòu)成，并從每相繞組中選取一條支路并聯(lián)構(gòu)成2pc對極磁場的一相繞組，這種接法屬于多路并聯(lián)，為了保證線圈間不產(chǎn)生環(huán)流，并聯(lián)支路的選取要盡量保證使生成的磁場每相繞組產(chǎn)生的磁勢幅值相等，相位差120°。同時，調(diào)整若干線圈的匝數(shù)，構(gòu)成不等匝線圈，可使諧波含量大大降低，繞組利用率也得到一定程度的提高，分布因數(shù)也符合設(shè)計要求。具體設(shè)計步驟如下:(1)畫出雙極槽號相位圖，并按照連接要求劃分相帶;(2)確定連接的9 段線圈組;(3)調(diào)整各線圈組中的線圈匝數(shù)比，使并聯(lián)各支路的電勢同相位同大小。

2.2 轉(zhuǎn)子單套繞組設(shè)計實例

圖4 36 槽6/2 雙極槽號相位圖

因為所采用的變極繞組連接方式為3Y/3Y，故對應(yīng)每相每種極數(shù)下應(yīng)有三條并聯(lián)支路，也就是說要把圖中取出的區(qū)域相位圖再劃分為三塊，以分別構(gòu)成相應(yīng)的三條支路。并且對此區(qū)域相位圖進行劃分和選取所對應(yīng)的槽號時，應(yīng)盡量滿足下面幾條原則，以保證兩種極對數(shù)下的方案均具有較高的分布因數(shù):(1)劃分后的三條支路的槽號分布對4p 應(yīng)滿足同相位同大小的原則，以消除3Y 并聯(lián)時的環(huán)流，對4p 而言，因其水平方向分布的對稱性則自然滿足這個條件;(2)所得的三條支路的槽號分布對6p 應(yīng)是三相對稱平衡的，也就是說要互差120°電角度，且每支路槽號合成矢量大小相等;(3)在此區(qū)域劃分所選取的槽號，在由對稱性推得另外兩相的槽號時，要滿足槽號不重復(fù)選用的原則，以保證方案的工藝可行性;(4)盡量使三條支路的槽號分布對兩種極對數(shù)均呈現(xiàn)相對集中的分布，以獲得較高的分布系數(shù)。

為滿足上面四條要求，可以在圖5 中水平方向作三等分，這樣的劃分，對應(yīng)于4p 便為60°相帶，對應(yīng)于6p 便為120°相帶，這樣劃分后的三塊分別構(gòu)成了三條支路。此時三條支路對應(yīng)于6p下的槽號分布情況均為(1，1，1，1)，括號里的數(shù)字表示處于6p 下同一電角度相位的槽號個數(shù)，它對單層繞組是線圈邊數(shù)，對雙層繞組是線圈個數(shù)，可見這時對6p 來講，三條支路剛好滿足先前的劃分原則(2)。對應(yīng)的三條支路在4p 下的槽號分布情況則分別為(2，1，1)、(1，2，1)、(1，1，2)，可見這時對4p 下的三條并聯(lián)支路并未完全滿足前述原則(1)。

圖5 36 槽6 極A 相的槽號分析圖(部分)

為此可通過選取不等匝線圈來獲得同大小同相位的對應(yīng)支路，從圖中很容易知道，當將圖中畫虛線的幾個槽號所代表的線圈的匝數(shù)加倍時，即可剛好滿足前述的幾條要求。這時對應(yīng)于4p 下每條支路中各槽號的等效分布為(2，2，2)，這里括號內(nèi)的數(shù)字對應(yīng)著4p 下同一電角度相位下得總匝數(shù)的相對數(shù)，且三條支路的分布是完全相同的;對應(yīng)于6p 下的等效槽號分布均為(1，2，2，1)，也即滿足對6p 應(yīng)為三相對稱平衡的原則。分析表明，當選取節(jié)距為6 時，每槽槽滿率相等，這在工藝上也是可行的。此時4p 采用60°相帶，其基波分布因數(shù)為(1+2cos20°)/3=0.96，6p 為120°相帶，其基波分布因數(shù)為(2cos15°+cos45°)/3=0.88。

顯然，雖然6p 時線圈組分布在120°相帶范圍內(nèi)，但是其基波繞組系數(shù)比120°相帶等匝繞組要大(120°相帶整距分布繞組的繞組系數(shù)是0.8295)。于是得到具體繞組方案如圖6 所示，圖中數(shù)字的上標表示相對匝數(shù)比。

圖6 36 槽6/4 極3Y/3Y 接法的繞組接線圖

3 轉(zhuǎn)子雙套繞組的設(shè)計

3.1 繞組方案的確定

對于轉(zhuǎn)子雙套繞組的設(shè)計，具體步驟與定子雙套繞組的設(shè)計思路是一樣的，下面以36 槽6/2 極為例來說明。根據(jù)它們的單極槽號相位圖，假如6p 采用60°繞組的單Y 接法，2 極采用非正規(guī)120°相帶繞組的單Y 接法，其具體接法如圖7 所示。

圖7 36 槽6 極和2 極`單Y 接法的繞組接線圖

3.2 繞組的環(huán)流及互感產(chǎn)生情況分析

轉(zhuǎn)子功率繞組A 相相屬在轉(zhuǎn)子控制繞組下的分布情況如圖8(a)所示。設(shè)此時A 相的6 個線圈組分別為:A1(1，2);A2(-7，-8);A3(13，14);A4(-19，-20);A5(25，26);A6(-31，-32)。由圖可知，A1、A3、A5 的電勢大小相等，方向相差120°，這樣A1、A3 和A5 的電勢合成為0;同樣，A2、A4、A6 的電勢大小也相等，方向也相差120°，A2、A4、A6 的合成電勢也為0，這樣互感合成電勢還是0，也即轉(zhuǎn)子功率繞組對轉(zhuǎn)子控制繞組沒有互感產(chǎn)生。

圖8 轉(zhuǎn)子繞組的環(huán)流及互感產(chǎn)生情況分析

轉(zhuǎn)子控制繞組A 相相屬在轉(zhuǎn)子功率繞組下的分布情況如圖8(b)所示。設(shè)此時A 相的4 個線圈組分別為:A1(1，2，3);A2(7，8，9);A3(-22，-23，-24);A4(-28，-29，-30)。由圖可知，A1 和A2 的電勢大小相等，方向相差180°，也就是說A1和A2 的電勢合成為0，同理A3 和A4 的電勢大小也相等，方向也相差180°，A3 和A4 的合成電勢也為0，這樣互感合成電勢還是0，也即轉(zhuǎn)子控制繞組對轉(zhuǎn)子功率繞組同樣沒有互感產(chǎn)生。另外對于這種轉(zhuǎn)子采用雙套繞線的BDFM 來說，除了要考慮定子兩套繞組之間、轉(zhuǎn)子兩套繞組之間彼此獨立外，定子對應(yīng)繞組對轉(zhuǎn)子異極繞組或者轉(zhuǎn)子對應(yīng)繞組對定子異極繞組也要彼此獨立，這樣能更好地減少互相之間的干擾，以54/36 槽6/2 極為例，如圖8(c)所示。

4 結(jié)語

繞組設(shè)計是無刷雙饋電機設(shè)計的關(guān)鍵，本文介紹了繞線型無刷雙饋電機的設(shè)計思路和方法，并經(jīng)過比較，從中選擇了最優(yōu)方案。用這種思路設(shè)計的繞組方案，不會在并聯(lián)支路中產(chǎn)生環(huán)流，不會在對方繞組中產(chǎn)生互感電勢，這樣就禁止了功率繞組和控制繞組直接的電功率傳遞，從而提高了轉(zhuǎn)子對應(yīng)繞組的極數(shù)轉(zhuǎn)換器作用，提高了無刷雙饋電機的工作效率和可靠性。繞線型BDFM 的單雙套繞組方案，各有其特點，在實際應(yīng)用中到底選用何種方案，需根據(jù)工廠工藝等實際情況加以分析比較后做出正確的選擇。

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