无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究

1、湖南工程学院毕业设计论文目 录摘 要 abstract主要符号表第1章 无刷双馈电机研究的背景和意义11.1绪论11.2 无刷双馈电机的发展及研究现状11.3 无刷双馈电机的研究意义5第2章 无刷双馈电机转子绕组的原理92.1 定子绕组的结构92.2 转子绕组的结构102.3 笼型转子的“极数转换器”的作用122.4 绕线型转子绕组的结构13第3章 建立笼型转子绕组谐波磁势计算模型173.1“安导波”的概念及其与磁势的关系173.2 单根导体的磁势计算183.3 单个线圈的磁势计算203.4 线圈组的磁势计算223.5 相绕组的磁势计算233.6 整个转子绕组各次谐波的磁势计算24第4章 用m

2、atlab编写谐波磁势的通用计算程序264.1 matlab简介及其发展历史264.2 用matlab语言对转子谐波磁势进行编程274.2.1 磁势计算的流程图274.2.2 对磁势计算进行编程274.2.3 程序的运行31第5章 极对数的功率绕组在转子中建立的转子谐波磁势的分析研究325.1 转子绕组参数的选取325.2 程序的运行以及计算结果325.3 结果分析40第6章 极对数的控制绕组在转子中建立的转子谐波磁势的分析研究426.1 转子绕组参数的选取426.2 程序的运行以及计算结果426.3 结果分析51第7章 变转子每相线圈数后转子谐波磁势的分析研究527.1 变功率绕组中转子每相

3、线圈数后转子谐波磁势的分析研究527.1.1 转子绕组参数的选取577.1.2 程序的运行以及计算结果527.1.3 结果分析617.2 变控制绕组中转子每相线圈数后转子谐波磁势的分析研究617.2.1 转子绕组参数的选取617.2.2 程序的运行以及计算结果617.2.3 结果分析70结束语71参考文献72致 谢73无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究摘 要 无刷双馈电机作为一种兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机优点的新型电机，在电机变频调速和变速恒频发电领域中越来越受到重视。本文提出了用matlab语言编写无刷双馈电机转子磁动势谐波的计算程序，并且使程序具有一定的通用性。文章的前两章是

4、介绍无刷双馈电机研究的背景和意义与无刷双馈电机转子绕组的原理；然后建立笼型转子绕组的谐波磁势数学模型，并且用matlab编写计算程序；最后分别对极对数为的功率绕组和的控制绕组在转子中建立的转子磁动势谐波进行分析研究。关键词 无刷双馈电机 转子绕组 磁动势谐波 分析研究rotor mmf harmonic analysis of brushless doubly-fed machineabstract:as a new type of electrical machine,combined the merits of the asynchronous motor with the squirre

5、l-cage rotor with and wound-rotor and the electro-excited synchronous motor,the brushless doubly-fed machine(bdfm)has been attracted more and more attention in the field of variable-frequency adjustable-speed motor and variable-speed constant frequency generating.this text brings forward using matla

6、b language to compile the account proceeding of the rotor mmf harmonic of the bdfm,and this proceeding had a certainty currency character.the front of tow chapters of the article are introducing the background and significance of the bdfm researching and the theory of the rotor winding of the bdfm ;

7、then the article would establish the harmonic magnetic force mathematical model of the squirrel-cage rotor,also use matlab compile the account proceeding;finally the aticale would separate to analysis the rotor mmf harmonic of the and the .keywords:bdfm,rotor winding,mmf harmonic,analysis主 要 符 号 表安导

8、强度安导波单个线圈的安导波单根导体的安导波电角度磁势波单个线圈的磁式波单个线圈的次谐波磁势的幅值相绕组的磁势幅值线圈组的次谐波磁势的幅值单根导体的磁势波相绕组的磁势波无刷双馈电机的定子频率导体电流的瞬时值每相电流的有效值导体电流的有效值次谐波的分布系数次谐波的绕组系数次谐波的短距系数对对极谐波说的线圈短距系数对极谐波的槽口系数气隙旋转磁场同步速，转子绕组的相数单个线圈的匝数转子转速输入功率滑差功率机械功率输出功率基波极对数转子导条数线圈组串联的线圈数，每极每相槽数滑差谐波对基波的次数谐波极对数每相每条并联支路的串联匝数机械弧度每相并联支路的条数电流的角频率电源的角频率共轴转子的机械角速度槽口宽

9、度iii第一章 无刷双馈电机研究的背景和意义1.1 绪论无刷双馈调速电机转子结构简单，运行可靠，可以实现自启动、异步、同步、双馈等多种运行方式，即具有异步电机和同步电机的双重优点，在用作变频调速系统时还可以大大降低变频器的容量。在风机和泵类负载的节能调速系统及变速恒频的水力和风力发电系统中具有广阔的应用前景。研究无刷双馈变频调速电机无论是在理论或是实际应用方面都有着很大意义，而目前所研究的无刷双馈电机性能还达不到实际应用要求，有些学者认为，其关键原因在于还没有找到一个合适的转子绕组形式。目前研究采用的磁组转子和特殊笼形转子这两种转子结构形式中笼形转子被认为是最可能应用于大容量电机，但是，现有的

10、特殊笼形转子绕组是“共轭”原理设计的，也即对无刷双馈电机所要求的转子两种极数，设计时保留两种极数下感应电机均同相的笼条导体，去掉不同相的笼条导体，而这样必然会导致转子导体利用率低，谐波含量大，造成电机效率及过载能力较低的结果。由于认为目前制约无刷双馈变频调速电机进入实际应用的瓶颈在于转子绕组的性能，为解决这个问题，有学者提出采用根据“变极”原理设计的特殊绕线转子绕组。鉴于以上的研究情况，本文将设计一笼型和绕线型方案，用matlab建立笼型转子绕组谐波磁势分析的计算模型，针对所设计的绕组方案，分别得出结果，并且分别改变转子线圈数，从而证明增加转子线圈数可以优化转子绕组的磁势。1.2 无刷双馈电机

11、的发展及研究现状近10年来，随着电力电子技术、计算机技术和现代电机控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史性的变革，以变频调速为代表的交流电气传动以其优异的性能、如调速范围宽、稳速精度高、动态响应快与四象限运行等，在石油、化工、机械、冶金等工业领域得到了广泛的应用，尤其对于大功率的风机或泵类负载，采用交流电机变频调速可节电2030%，具有显著的节能效果。交流调速全面取代直流调速已成为发展趋势。归纳起来，现代交流调速按交流电机类型划分有：（1） 同步电机这是一种转子转速永远等于气隙旋转磁场同步速的电机，即通常仅有改变定子供电频率的变频调速，有称为无换向器电机。根据频率控制信号的来源，同步电

12、机调速又可分为：1. 它控式同步电机变频调速：频率有外界控制，有失步问题；2. 自控式同步电机变频调速：频率由电机转子磁极位置信号控制，无失步问题。（2） 异步电机这是一种转子转速永远不等于同步速、中间存在滑差以使转子产生切割关系，感应电流而产生转矩的交流电机，转速满足。调速时可调节较多，方法总的可分为：1. 变同步速调速具体方法有：a. 变频调速：改变定子供电频率实现同步速变化，适合任何类型异步电机。b. 变极调速：由于要求定、转子极对数同时变化，仅适合鼠笼式异步电机。2. 变滑差s调速实质上是一种转子内滑差功率的调速方法。根据引起滑差功率消耗的具体方法不同，又可细分为：a. 调压调速：通过

13、改变定子电压的幅值（不改变频率）使电磁转矩变化，从而变化滑差。要求采用高转子电阻电机以限制滑差功率消耗产生的发热，适合于鼠笼式及绕线式异步电机。b. 绕线式异步电机特有调速a) 转子串电阻调速：改变转子电阻机械特性硬度，实现滑差的变化，但因滑差功率的不可逆消耗而耗能。采用电力电子技术时可演变为转子串电阻斩波调速，以实现调速过程电子控制。b) 串极调速：定子接固定频率电网，转子接滑差频率反电势以吸收或补充滑差功率，从而实现变滑差调速（一般低于同步速）。c) 双馈调速：定子接固定频率电网，转子接变频电源，改变频率电源的频率、相序可实现同步速上、下的高速调速，并可实现有功、无功控制。近年来还出现了不

14、少电机本体与控制装置紧密结合的调速电机，如开关磁组电机、永磁无刷直流电机，它们的共同特点是实现了半导体变流装置与电机本体一体化，是一类新型调速电机。在所有这些交流电机的调速传动方式中，交流电机的结构不同，个具特色，同时也与外部控制电路的连接，可与定子绕组一起实现双重馈电，能满足大容量、高电压、高转速的性能要求，并具有转速稳定（同步速）、功率因数可调、效率高等方面的优点。然而由于滑环与电刷须经常维护，降低了电机的可靠性，同时滑动接触易产生火花，限制了其使用场合。鼠笼式异步电机（包括开关磁组电机）转子结构简单、无接触，运行可靠、无需维护，但由于异步电机转子需从定子侧获取励磁，功率因数较低，由于变频

15、调速系统时，由于转差的存在使转速与负载直接相关，为了得到精确的调速，还需要加上复杂的闭环控制系统。此外，鼠笼式异步电机变频调速时变频器设置在定子侧，通过全部功率时所需的变频器容量大于电机的额定功率，是整个系统的成本较高。绕线式异步电机可以实现双馈运行，速度、功率因数同时可调：变流装置只需处理滑差功率，因此，变频器容量比电机小，降低了系统成本，但也存在电刷和滑环带来的弊病。所以，虽然目前交流调速技术在不断改进，但是电机本身所固有的缺陷并未得到克服。如何使交流电机无刷化并具备双馈运行功能，使交流传动系统具有高效率、高功率因数、高可靠性、低成本已成为电机制造工业和交流传动系统亟待解决的一项技术难题。

16、近年来，为了解决这个问题，国内外许多学者都将目光投向无刷双馈，不仅具有简单的转子结构，而且具有具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性，既可作为交流调速电机，又可作为变频调速发电机。因此作为一种性能优良的新型电机，越来越受到研究者的关注。无刷双馈电机是从串极感应电机发展而来的，它继承了串极电机的一些特性。在串极感应电机中，两台绕线式异步电机机械上同轴联接、转子绕组直接按正或反相序相连，其基本结构如图1.1所示。图1.1 两台感应电机的串极连接串极系统中，若、分别为两台电机的极对数，为共轴转子的机械角速度，为电源的角频率，则在电机稳定运行时，转子的机械角速度，其中+、号分别对应转子反、正相序连

17、接。假定第一台电机的输入功率为，若在某一转速时两台电机的转差率分别为、，那么第一台电机产生的机械功率为：若忽略电机损耗， 则就成为第一台电机通过气隙传给第二台电机的电功率。这样第二台电机轴上产生的机械功率为：在两台电机转子绕组反相序连接的条件下，整个机组的输出功率为：试中：为第二台电机定子外接电阻上消耗的电功率。 从串极电机的运行过程来看，如果改变第二台电机外接电阻的阻值，消耗在其上的滑差功率就会发生变化。在一定的前提下，机组的转差率将发生变化，电机转速随之发生改变。由于电机采用这种串极方法时可以取消滑环和电刷，并在一定范围内调速，人们曾经将两台电机的定转子安装在同一机座内，使串极电机从外观上

18、看是一台电机从而减小机组的体积和提高运行性能，以hunt和creedy为代表的研究者将两个转子合二为一构成一个公用转子，并采用了较以往电机更为先进可行的理论对定子绕组进行重新设计，使之具有一套转子绕组、一套能产生不同极数的定子绕组，且具有一个共同的磁路的单一机组，这就是无刷双馈电机的原型。但由于受当时技术调节限制，该电机未能投入实用研究。 进入70年代后，交流电机的变频调速技术得到了较快的发展，在各行业发挥了越来越大的作用。但随之而来的变频器的高成本、谐波污染等问题也受到了关注。研究者发现在串极电机运行时，当机组的转差率发生变化，第二台电机的定子电流频率也会随之改变。反之，如果改变第二台电机定

19、子绕组的电流频率，电机的转速也将发生变化，且由于通过第二台电机定子绕组的是转差功率，功率大小与调速范围直接相关。在电机调速范围不大的情况下，该功率远小于由第一台电机的定子绕组输入的功率。这样，将变频器代替第二台电机定子所接的电阻，就可采用较小容量的变频器来控制电机的转速。因此，在70年代后期，单一机组串极电机的研究又吸引了很多研究者的注意。对于电机本体，以braodway为代表的研究者们在hunt发明的电机结构基础上进行了较大改进。他们在满足无刷双馈电机对转子磁场要求的前提下，将相调制理论应用到极变换绕组，使定转子绕组极数配合的范围进一步扩大，并通过对普通双层绕组的适当连接获得了两种极对数磁场

20、，简化了定子绕组。转子采用了类鼠笼式结构，这些成果将自串极无刷异步电机理论向前推进了一步，得到了目前被称为无刷双馈电机的典型结构形式（如图1.2所示）。其中在气隙中产生极对数磁场的绕组连接称为功率绕组，在气隙中产生极对数磁场的绕组连接称为控制绕组。八十年代后，双励磁磁组式电机成为无刷双馈电机研究的又一个新分支。随着新型电力电子器件和微处理器的飞速发展，各种交流电机的控制策略如标量控制、转子磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制等也都开始应用于无刷双馈电机，这一切使无刷双馈电机及其系统的研究呈现出了新的热潮，促使无刷双馈电机从实验室研究阶段迈向实用化应用阶段。1.3 无刷双馈电机的研究意

21、义无刷双馈电机是一种新型的，同时具有同步电机和异步电机特点的交流调速电机，其结构和运行原来与传统的交流电机有较大的差别，无刷双馈电机的定子上具有两套极数不同的对称三相绕组，分别称为功率绕组和控制绕组，转子采用笼型或磁组型的结构，取消了电刷和滑环。通过电机转子的磁动势谐波或磁导谐波对定子不同极数的旋转磁场进行调制来实现电机的机电能量转换。如果改变控制绕组的连接方式及其外加电源的频率、幅值和相位可以实现无刷双馈电机的多种运行方式。无刷双馈电机是在上世纪初hunt提出的自级联感应电机的基础上发展起来的，一些学者对该类电机进行了进一步的研究和完善，至上世纪80年代末90年代初发展成为无刷双馈变频调速电

22、机。无刷双馈变频调速电机与转子接串调或双馈装置的绕组电机相似，可以用较小容量的变频器对较大功率的电机进行调速，特别适合于大功率的风机和泵类负载的调速，是一种很有希望的中压节能调速方案。无刷双馈电机不但和笼型转子或磁组型转子感应电机一样，取消了电刷和滑环，提高了电机运行的可靠性，减小了维护的成本，而且具有良好的启动和运行性能，并可方便的实现异步、同步、双馈和变速恒频发电等多种运行方式。对该种电机的研究和开发可望有效解决制约传统交流电机及其调速系统发展的某些关键技术问题，以及水力，风力发电系统的恒频变速问题，因此，对无刷双馈电机进行深入的研究具有十分重要的意义。1.3.1 无刷双馈电机作为变频调速

23、电机，当应用于大容量的电气传动系统时，由于变频器的容量大大减小，从而可以大大降低调速系统的成本。在许许多多的生产应用领域，如发电厂和钢铁企业中，水泵和通风机等负载面广量大，如果采用交流变频调速装置替代阀门，挡板来调节流量，可获得很好的节能效果。然而，不幸的是在风机泵类负载中采用普通的变频调速系统，尽管可以起到良好的节能效果，但是存在的最大问题是变频器（特别是大中容量的变频器）的价格太高，往往使大中型电机的变频调速变得可望不可及，有些观点认为，大中型电机采用变频调速后，一次性投资成本的利息比由节能所省下的钱还多。因此，如何降低所需变频器容量从而降低整个调速系统的成本成为在更大范围内推广变频调节节

24、能技术的关键所在。在变频调速系统中一般采用笼型感应电机，由于所需变频器的容量大于电机的额定功率，而变频器的价格一般要高出同容量电机的34倍，因此整个调速系统的成本很高，从而限制了该类变频调速系统在更大范围内的推广应用。近些年来，一些学者对绕线式感应电机转差频率控制系统有刷双馈调速系统进行了分析和研究，由于该类调速系统可以通过控制转差功率的转子电流来实现电机的调速，因此所需变频器的容量只是有定子绕组提供给系统的功率的一小部分。在风机和泵类负载中，一般调速范围在70100%额定转速之间，所需变频器的功率很小，因此绕线式感应电机双馈调速驱动系统与笼型电机的变频调速系统相比只需一个较小的变频器，因而大

25、大降低了变频器的容量和造价，减小了调速系统的成本。但是，绕线式感应电机具有电刷和滑环，其运行的可靠性差，需要经常维护，特别在某些易燃易爆和多灰的场合难以推广应用。当采用无刷双馈电机调速系统时，承担主要输入电功率的定子功率绕组可以直接由工频电网供电，而变频器只需为定子控制绕组提供“转差功率”，不仅降低了调速系统的成本，而且实现了无刷化，提高了系统运行的可靠性。无刷双馈变频调速系统与其他调速系统相比，具有以下突出优点：1) 通过变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，从而降低了调速系统的成本；2) 功率因数可调，可以提高调速系统的力能指标；3) 与有刷双馈和串调系统相比，

26、取消了电刷和滑环，提高了系统运行的可靠性；4) 即使在变频器发生故障的情况下，电动机仍然可以运行于感应电动机状态下；5) 电机的运行转速仅与功率绕组和控制绕组的频率及其相序有关，而与负载转矩无关，因此电机具有硬的机械特性。1.3.2 用无刷双馈电机取代常规的高压感应电机，可以有效解决高压电机变频调速系统中存在的技术难题。 实现高压电机的变频调速一般有两种方法：一种是采用高压变频器；另一种是采用高低高变频方案。当采用高压直接变频时，由于需要采用多器件的串并联，线路复杂，技术难度大，系统的可靠性差，而且高压变频器的价格比同容量的普通低压变频器要高得多；当采用高低高变频方案时，需要先用降压变压器把高

27、压变为低压，经低压变频后，再用生压变压器生压，该方案的优点是可采用普通的低压变频器，缺点是多了两台同容量的变压器，增加了调速系统的成本。如果采用无刷双馈电机的调速系统，功率绕组可以由高压电源供电，控制绕组由普通的低压变频器供电，则高压电机变频调速系统存在的上述问题可以得到有效的解决。1.3.3 作为异步和同步通用的电机，无刷双馈电机可以实现无刷化和通用化，既具有感应电机良好的自启动性能，又具有同步电机优良的运行性能。目前应用于工农业生产中面大量广的交流电机主要是同步电机和感应电机，由于电机结构上的差异，同步电机和感应电机一般是不能兼用的，而它们各有自己的优缺点。同步电机和绕线式感应电机都采用电

28、刷和滑环来实现转子绕组与外部电路的连接，由于滑动触头和电刷磨损，不仅降低了电机运行的可靠性，而且电刷需要定期维护和更换，增加了运行费用。此外滑动接触容易产生火花，从而限制了有刷电机在含有易燃和易爆气体的饿环境中的应用。普通笼型感应电机虽然结构简单，但是它又不如绕线式转子感应电机的控制那么方便，也不如同步电机的运行性能指标高。因此，开发研制一种集各种电机优势，既无刷化（坚固可靠）又通用化（能实现多种运行方式）的新型交流电机是电机的一个重要发展方向，也是当前我国电机制造业亟待解决的一项重大技术难题，目前在部分同步电机中采用的无刷励磁虽然取消了滑环和电刷，但并未使电机的到简化，而是将励磁控制元件固定

29、在转子上随电机一起旋转，增加了电机结构的复杂性和制造成本，并未从根本上解决电机的运行可靠性问题，因为随转子一起高速旋转的电子元件和控制电路增加了转子运行的不可靠因数。永磁电机虽然可以实现无刷化，但是由于其励磁不能调节从而限制了它的应用范围。目前在国民经济各部门中大量应用的同步电机和绕线式转子感应电机仍然采用有刷结构。而大中型异同步无刷通用交流电机具有广阔的市场。无刷双馈调速电机从根本上解决了无刷化问题，除了无刷可靠外，该类电机的另一个特点是兼有笼型、绕线式感应电机和电励磁同步电机的共同优点。通过简单的改变控制绕组的联接与馈电方式，可以方便的实现自启动、异步、同步和双馈等多种运行方式，使其竟既具

30、有良好的启动特性，又具有优良的运行性能。1.3.4 无刷双馈电机作为变速恒频交流发电机，应用于水力或风力发电系统时，可以大大提高发电系统的可靠性。水力或风力发电机一般极数较多，特殊的运行工况对发电机的可靠性提出了很高的要求。近年来，将绕线式转子感应电机用于交流了励磁发电机的研究工作已引起国内外众多学者研究兴趣，取得了学多研究成果并已成功的应用于生产实际。但绕线式感应电机具有电刷和滑环，可靠性差是其致命的弱点。无刷双馈电机作为交流励磁发电机，可以实现变速恒频恒压运行，特别适合于多极低速水力或风力发电系统。无刷双馈电机的功率绕组用于发电，控制绕组用作交流励磁，根据原动机的转速变化调节励磁电流的频率

31、便可实现变速恒频发电，通过改变励磁电流的幅值和相位可以实现无功调节。因此在水力和风力变速恒频发电系统中，无刷双馈电机具有广阔的应用前景。在我国，已经将“交流励磁变速发电机的研究”列为三峡工程水力发电机组技术急需进一步研究的几项关键技术的首位。有理由相信，在对无刷双馈的研究取得重大进展和突破以后，将其用于抽水蓄能电站机组以取代绕线式感应电机，从而提高电机的运行可靠性，也是无刷双馈电机一个很有发展前景的应用领域。上述应用展示了无刷双馈电机广阔的应用前景。但是，任何事物都具有两面性，无刷双馈电机也有其固有的缺点。由于该种电机的定子内同时嵌有两套对称的三相绕组，因此，与常规的交流电机相比，其功率密度较

32、低，体积较大。但与串级联接的两台感应电机相比，体积要小得多。在无刷双馈调速系统中，虽然电机的成本稍高一些，但所需变频器容量和价格的下降，仍能使这个系统的成本大大降低。第二章 无刷双馈电机转子绕组的原理无刷双馈电机定子上有两套不同极对数绕制的绕组,分别流过不同频率的三相对称电流,气隙中存在几种不同极对数的磁场，与传统电机相比有很大差异,采用传统交流电机的基本理论难以解释其转矩产生的机理和电机能量的转换过程。本章首先简单介绍一下定子绕组的结构,然后讨论转子绕组的结构和原理。2.1 定子绕组的结构无刷双馈电机的定子铁芯即为一般异步电机铁芯,但起定子绕组需要能在同一气隙中产生两种不同极对数的磁场。从理

33、论上讲，这种要求可以通过以下集中方法来实现：1、独立的定子绕组：在定子上安排两套分别对应于两种不同极对数的绕组；2、多并联支路单套绕组：定子绕组每相有三个或三的倍数个并联支路，通过内部对不同相支路的连接，形成另一种极数的绕组；3、内部交叉连接绕组：主要用于极对数的配合比率为“奇：偶”或“偶：奇”的情况；4、极幅调制（pam）绕组：这种绕组每相有两个并联通路，通过对每相一半绕组中的电流反相来得到另一种极数的绕组。这种绕组适用于任何极数，但可能会导致调制后生成的极数下绕组的分布系数较低。由于方案3、4在实现过程中有很大的局限性,本文就根据方案1、2把无刷双馈电机的定子绕组分为单绕组和双绕组两种方案

34、。单绕组方案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和。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极和极必须是各自对称的。对于单定子绕组的无刷双馈电机来说，一套定子绕组应有6个出线端，分别作为工频和变频电源的入口，当两个端口同时供电时，回产生两个独立的、不同极对数的旋转磁场。为了是两个电源互不干扰，由功率绕对极旋转磁场在定子绕组中产生的感应电势，应在对极控制绕组的3个出线端之间不出现电势差，以避免控制端口通电时引起工频电源的附加电流；同理，有控制

35、绕组对极旋转磁场在定子绕组中产生的感应电势也应在对极功率绕组的出线端间不产生电势差，不引起变频电源的附加电流。此外绕组在选择线圈节距和线圈组排列时，须同时兼顾两种极对数下消弱不必要的谐波的要求。根据这个原理，定子绕组需要采用多并联支路方式进行连接，并尽可能使三相绕组实现最佳分布，图2.1就是一台36槽（6+2）极的无刷双馈电机的一种绕组方案，该方案中采用的是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。图2.1 36槽（6+2）极的无刷双馈电机的绕组方案之一双绕组方案是采取在同一定子铁心上安放两套相对独立绕组的方式。也是无刷双馈电机在定子绕组设计中最为简单的一种

36、方法。由于两套绕组相互独立，可按各自要求选取最佳的绕组节距和绕组排列，特别可有目的地消除某些谐波影响，使设计具有较大的选择余地，定子绕组的设计具有灵活性。有上可知，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，单设计困难，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。2.2 转子绕组的结构笼型无刷双馈电机中不同极数定子磁场和之间的耦合是通过转子磁势波的调制作用实现的，提升转子磁势中有用的和次谐波分量，同时抑制其它次谐波就成为转子结构设计的主要目标。根据前面的分析可知，若转子导条数，由于齿槽的作用，转子会同时产生两个

37、极对数分别为和对极的磁场，满足对定子磁场的极对数转换。但从电机设计的角度来看，按此原则设计出的一些实用和对极组合，转子所对应的导条数太少，转子槽漏抗将很大，同时会出现大量谐波，将严重损坏电机的性能。因此在保证电机结构满足机电能量转换要求的前提下，还需采取措施减小转子漏抗，优化电机特性。从电机学可知，导条数为的鼠笼转子可以看成是相的转子绕组。从绕组的角度看，一个相绕组与根鼠笼导条的区别在于每相中线圈的分布。换言之，如果在不改变转子绕组相数的条件下增加转子的槽数，槽漏抗将大大降低，这样在保证无刷双馈电机运行原理对转子结构基本要求的情况下，可以有效的优化电机的运行特性。由于无刷双馈电机具有自起动性能

38、，因此不需要在转子上装设起动笼。总的说来，转子结构可分为磁组式和笼型两大类。图2.2示出了无刷双馈电机通常采用的4种转子结构型式（其中）。在图2.2中，#1转子结构与常规的感应电机的笼型转子相类似，如果不考虑短路笼条的作用，定子电流产生的不同极数的磁动势可以在任何方向上随意流动。然而在组同心式短路线圈的作用下，除恒定磁通外，交变磁通并不能只有流通。由于感应的转子电流阻止磁通通过短路线圈，定子磁动势在线圈中心线处遇到了较大的“磁阻”，而相邻线圈组分界处的“磁阻”较小。#1转子制造容易。#2转子实际上就是用在常规同步电机上的普通凸极转子，具有简单可靠的结构且制造容易。然而它的所有磁极间并不是磁隔离

39、的，既可认为是4极的也可认为是2极的，这取决于钉子边的磁动势极数。#3转子是带磁隔离层的磁障转子，目的在于增大交轴磁阻。该转子并不能为2极磁动势提供通路，是一个纯粹的4极转子。显然该转子制造工艺比较复杂。#4转子是轴向叠片的ala（axially laminated anisotropic）磁阻转子，在结构型式上可以认为是#3转子的特例，该转子比较难于制造。无论那种转子结构，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不同极数的气隙磁场得以调制，在已查阅到的有关无刷双馈电机的国内外文献中，这几种转子均有采用，但#1、#3和#4号转子用的较多。图2.2 无刷双馈

40、电机常用转子结构型式2.3 笼型转子的“极数转换器”作用以转子为36槽的（8+4）极无刷双馈电机为例（主绕组极数，副绕组极数），采用“和调制”时，同心式转子绕组的组数等于6。当其工作在双馈调速运行时，主副绕组中不同频率的电流将在电机中形成两个不同极数、不同转速的旋转磁场时处于两种极数磁场下的转子槽电势矢量图如图2.3所示。在图2.3中，外环是相对于定子4极磁场的转子槽电势矢量，内环是相对于定子8极磁场的转子槽电势矢量。内外环上的矢量按相反方向编号是考虑到不同极数的两个定子磁场相对于转子按相反的方向旋转。用黑体（加粗）标识的槽电势（1，7，13，19，25，31）表示8极和4极磁场在这些导条中产

41、生的感应电势在任何瞬时都方向一致，所以这6个导条可以形成共用笼条。在两个邻近导条（如1和7）之间的导条（即2，3，4，5，6），无论对于8极还是4极磁场，矢量+2和-6、+3和-5的合成矢量都处在同一方向上，所以2和6、3和5导条可以简单地联接成同心式短路线圈，对于8极和4极磁场这些短路线圈的作用是相同的。合成矢量的位置相对于8极是+,相对于4极是-，这与两个磁场相对于转子按相反方向旋转的关系是一致的。用类似方法联接，可以形成6组同样结构的同心式短路线圈。正好处于两个邻近导条中间的导体（标号带方框的4，10，16，22，28，34），其8极和4极槽电势矢量恰好方向相反，因此在这些槽中的导体不会

42、起到有效作用，为省铜起见这些槽可空下不用。按此规律，36槽的导条可以形成6组同样结构的导条连接，从而得到了如图2.4所示联成的单5c42分布笼型转子绕组。图2.3 （8+4）极无刷双馈电机转子槽电势矢量（转子槽数为36）图2.4 （8+4）极无刷双馈电机单层分布转子绕组所谓电机转子“极数转换器”作用，就是靠图2.4所示的特殊形式的转子绕组结构实现定子两套不同极数绕组之间的耦合关系。当电机双馈运行时，副绕组中电流产生极磁场，在某一特定转速下，转子绕组切割这一磁场后在其各槽导体中产生转子电流，由这些电流所产生的磁场也正好满足在极绕组中产生同频率速度电动势的需要，从而实现电机的机电能量转换。2.4

43、绕线型转子结构如图2.3所示笼型转子虽然能耦合传递主、副绕组的磁场作用，其主要的理论依据是p、q对极磁场在同心线圈产生同相位电势，这些线圈得以利用，但去掉了电势不同相的导条。显然，这种笼型转子绕组系数低，谐波含量大，造成电机效率及过载能力低。单一极的对数的绕线形转子，其谐波系数可有效的控制，绕组系数也可以确定，如果既保证上述特征，又能耦合传递主、副绕组磁场的关系。那么绕线型转子将大大改善无刷发电机的性能。这种转子绕组换相法变极获得。这种新型转子绕组接线方式更灵活，可利用交流电机绕组理论对对p和q两种极对数选择、磁势相对转向、绕组分布系数、谐波含量等进行“人工”控制设计，因而用于无刷双馈电机可能

44、更好的性能。 60相带绕组由于分布系数教大、谐波含量较少和接线简单是三相电机中性能最好的绕组。用对称轴线法换向变极。以2p=6,2q=2,槽数为36的转子绕组为实例。其中，6极和2极都为60相带。 36槽6极60相带绕组三相所占的槽号：由此画出按2极相位排列的6极三相槽号表和变后极的三相相位图： 变前极每相三段槽号为：a相：1，2，-19，-20；13，14，-31，-32；25，26，-7，-8。b相：5，6，-23，-24；17，18，-35，-36；29，30，-11，-12。c相：9，10，-27，-28；21，22，-3，-4；33，34，-15，-16。 变后极每相三段螬号为：a相

45、：1，2，-19，-20；5，6，-23，-24；-21，-22，3，4。b相：-32，-31，14，13；17，18，-35，-36；-33，-34，15，16。c相：-8，-7，26，25；-12，-11，29，30；-9，-10，27，28。依据“变极”原理设计无刷电机转子绕组基本思想仍源于由两台转子绕组做反相序串极联结绕线型感应电机构成的双馈调速机组，其原理上可看成两套极对数不同，反相序联结的多相子绕组构成。当然，如果只是简单将两者加以连接，那么转子槽导体的实际利用率很难高于现有笼型绕组的。为提高转子槽导体的实际利用率，还必须使得转子槽导体做到“来复利用”，使得同一套绕组对两种极数既能

46、感应电势又能互相作为激磁源。若实现上述构想，必须还要有能具体实现的接线方式。为此，笔者提出可用于无刷双馈电机的“变级”绕线转子绕组的一种接线方式。如图2.5所示。图2.5 p/q,3y/3y换相变极异极反相序串联接的转子绕组 从图2.5可以看出，这种接线方式的基本部分是变极比为p/q的3y并联接法换相变极绕组。这个3y并联接法换相变极绕组有分为两组的6个出现端，每组3个出线端，标记为pa、pb、pc和qa、qb、qc,分别对应p对极和q对极，两组出线头之间反相序关系联结，即pa和qc、pb和qb、pc和qc分别联结。 采用上述联结的工作原理如下。参见图2.4，用于定子的极对数为p和q的3y并联

47、接法换相变极绕组，如果出线端pa、pb、pc接如三相电源，出线端qa、qb、qc,悬空，则呈现p对极；反之，如果在出险端qa、qb、qc，接如三相电源，出线端pa、pb、pc悬空，则呈现q对极。现在将3y并联接法换相变极绕组用于转子绕组，并且按无刷双馈电机理论要求将出线端pa、pb、pc和qa、qb、qc作异极反相序联结。这样，当定子上放置有极对数分别为p和q的两套三相绕组时，若将极对数为p的定子绕组接电网电源，转子绕组因为出险线端pa、pb、pc和qa、qb、qc反相序联接，这时在定子p对极旋转磁场下感应产生的转子电流，除因从出线端pa、pb、pc流出使转子绕组产生p对极旋转磁势外，还因注入

48、到出线端qa、qb、qc使转子绕组产生相对p对极反相旋转的q对极磁势。同样，当极对数为q定子绕组接入变频电源时，转子绕组也既能产生q对极旋转磁势，又能产生反相旋转的p对极旋转磁势。这样，当极对数为p的定子绕组接电网电源，同时在极对数为q的定子绕组接入变频电源，两套定子绕组通过转子相互作用，调节变频电源频率，将可以如同常规无刷双馈电机一样进入变频调速工作状态。 值得注意的是，与通常的笼型转子绕组相比较，本文转子绕组同时产生p和q对极这两个旋转方向相反磁势的机理是有所不同的，通常笼型转子绕组的p和q对极磁势是相同导体中流过电流产生的，而绕线型转子绕组则是杂原理上看作是两套不同极对数的三相绕组反相序

49、串联而成，每套绕组导体只产生一种极对数的磁势。只是因为利用了3y并联接法换相变极绕组的特点，使转子绕组导体得到重复利用，一套绕组就可以完全达到两套绕组的效果。显然，与通常无刷双馈电机中笼形结构转子绕组相比较，绕线型转子绕组有更多的特点：笼形转子绕组因为结构的限制，同时产生的极对数p和q只能是倍极比的关系，而绕线型转子绕组的极对数p和则是可以任意选择的；笼形转子绕组无论是对于极对数p或是q，绕组分布系数都不太高，谐波含量也较高，这直接限制了其应用，而本文利用换相变极绕组理论，可以使两种极数下的绕组分布系数都得到提高，谐波含量则可降低；笼形转子绕组所产生的极对数p和q的绕组有效匝数比更难加以调整，

50、绕线型转子绕组接线方式要灵活的多，极对数p和q绕组有效匝数比可以根据需要任意调整。以实例说明上述连接。图2.6所示为2p=6,2q=2,槽数为36的转子绕组实例。其中6极和2极都为60相带，且都为3y接法。图2.6 36槽的绕线型转子绕组第三章 建立笼型转子绕组谐波磁势计算模型3.1 “安导波”的概念及其与磁势的关系 电机绕组最基本的特征之一是通以电流便产生磁场，因而沿气隙周围分布着磁势。所谓气隙周围某点的磁势就是指该点的气隙磁压降。我们把这种磁势称为绕组磁势。电机绕组的中心内容就是研究绕组磁势的分布、变化规律及其相对大小。 电机绕组是由一些沿电机气隙周围分布的导体以某种方式连接在一起而形成的

51、。当绕组通以电流时，沿气隙周围就出现了电流层。所谓“安导波”就是来描述这个电流层的分布情况。其意义是：以单层绕组为例，设气隙周围上某一槽口宽度为（弧度）即的槽内嵌有根导体，每根导体有电流（安），假定电流均匀分布于槽口上，则气隙周围该宽度上的安导强度为（安/弧度）。如果是双层绕组，则应为上、下层安导的代数和（上、下层电流方向相同时相加，否则相减）。显然，在齿顶处的安导强度应为零。由此可知“安导波”严格的说应为“安导强度分布波”，实际上就是沿气隙周围的电流层强度分布波，也叫电流负荷分布波。用来代表安导波，其中变量的单位是弧度，全圆周是。 如果认为槽内的安导集中在槽口正中一点上，则而。这时每个槽产生

52、的安导波变成一个脉冲函数，该函数沿气隙周围的积分等于槽内的安导。 根据上述安导波的意义可见，安导波沿气隙周围某一段弧的积分等于该段弧上的净有总安导，即该段弧上所有各槽安导的代数和。 现取气隙圆周上磁场强度为零的一点作为坐标原点。通过原点和坐标为的任意一点取一闭合回路如图3.1中的虚线所示。则从全电流定律可知，沿闭合回路的总磁压降应等于回路内的总电流，即安导波沿弧段的积分为。于是，由于点的磁场强度为零，随之该点的气隙磁压降等于零，在假定铁心的相对磁导率为无穷大，因而铁心中的磁压降就等于点处气隙的磁压降，称为点的磁势，用符号表示。这样可得磁势波和安导波之间的关系为 （3-1） 图3.1 磁势和安导

53、的关系3.2 单根导体的磁势计算 如上所述，电机绕组是由导体构成的，因此只要首先分析单根导体的安导波和磁势波，就可以进一步得出整个绕组的安导波和磁势波。 首先我们来求单根导体的安导波（这里所说的单根导体也可以看作是由线圈组成的单边线圈）。设有单根导体嵌于槽中，并通过电流（瞬时值，有正、负，以流出纸面为正）如图3.2a）所示，则可画出该导体产生的安导波如图3.2b）中的实线矩形波。现把该波分解为两个分量：一是沿周围的平均值（图3.2b中的虚线），另一个是图3.2c）所示的曲线。其中，平均值对整个周围来说是一个常数，称为常数分量，其大小与电流成正比。在实际电机中，决大多数是从电机的同一个端部出线，

54、当沿绕组首端至末端行进时，由某一导体进入，必从另一导体出来，因此所有导体电流瞬时值的代数和必为零。这就是说从整个绕组来看，单根导体产生的安导波中的常数分量恰好互相抵消，合成结果为零。正因为这样，在分析单根导体的安导波时可以不考虑常数分量，并不影响对整个绕组的分析结果。 如上分析，可把图3.2c）曲线当作单跟导体的安导波。把坐标原点取在槽口的正中，按傅立叶级数展开的单根导体的安导波式中表示谐波的极对数，即=1的谐波波长等于整个圆周。在下面的分析中，我们用来表示相对于基波的“次数”，即，次谐波的极对数为。本文中的“对极谐波”和“次谐波”是两种不同的表示方法，要注意区别。由图3.2c）可得出对极谐波

55、的幅值为图3.2 单根导体的安导波由此可得单根导体产生的安导波为（3-2）其中决定于槽口宽度，成为对极谐波的槽口系数，假设电流集中于槽口正中一点，即时，则故得（3-3）由式（3-1）和（3-3）可得单根导体的磁势波（3-4）3.3 单个线圈的磁势计算 大多数电机绕组都是由匝数相同、节距相等的线圈构成，称为“等元件绕组”，对这种绕组，以线圈为基本单元来分析绕组较为简单。图3.3 单个线圈的安导波设有匝数的单个线圈嵌于相距（弧度）的两个槽中，如图3.3a）所示。则当电流（瞬时值，有正、负，以图中所示方向为正）通过线圈时，可得出图3.3b）所示的安导波。把坐标原点取在该线圈的轴线上，有式（3-3）可得线圈边1和线圈边2的安导波分别为；。 由此可的整个线圈的安导波为故得单个线圈的安导波（3-5）式中的 （3-6）为对对极谐波说的线圈短距系数。. 已知安导波则从式（3-1）可得单个线圈产生的磁式波为省掉与无关的常数项，则表征磁势谐波分量为 （3-7） 将前面叙述的代入上式，则其中（3-8）式中和分别为线圈节距和极距，用相同单位表示。现在