无刷双馈电机结构设计分析

1、摘 要无刷双馈电机是一种新型感应电机，同时也是具有同步电机和异步电机特点的交流调速电机，有着简单牢固的无刷结构、可回馈使用的转差功率、可调节的功率因素、小容量的调速控制装置以及多种运行模式等特点，深受国内外研究者的重视。在本文中首先，通过对无刷双馈电机的发展历史、研究现状和应用前景的了解，结合国内、外相关文献，对无刷双馈电机的基础理论进行了研究。得到了无刷双馈电机的转速公式及定子绕组中功率绕组和控制绕组各自电磁功率与电源频率的关系。其次，对无刷双馈电机的结构进行了分析。针对此类电机定子由功率绕组和控制绕组两套绕组构成，提出了单绕组和双绕组两种绕组形式，并对这两种绕组各自的特点加以分析，尤其又对

2、单绕组的结构特进行了剖析。再次，如上所述，在基本的参数条件下进行计算，从设计功率入手，对电机尺寸、齿槽等进行了计算，最后得到了一个无刷双馈电机的基本参数。这些参数是根据异步电动机设计手册计算的，尤其是一些数据是根据经验公式选取的数值，最终得到这些数据。关键词：无刷双馈电机 ； 参数 ； 结构分析ABSTRACTBrushless double一fed machine is a new type of induction machine that can operate in both asynchronous and the synchronous mode. It has the robus

3、t mechanical characteristics together with controllable speed and power factor，a relatively low rating power converter. These benefits attract more and more researchers attention. A comprehensive research on the BDFM with cage rotor is developed，its structure characteristics and principals are discu

4、ssed.In this paper, firstly, through the understanding of the development history, actually researching and appliance foreground, combining with the literature of in and out country, the basic theory of BDFM is studied. The theory of adjustable speed with constant frequency of BDFM is analyzed throu

5、gh power view, and the rotate speed formula and the relationship between electromagnetism power and the power supply frequency of power winding and controls winding of BDFMs stator are obtained.Secondly, the configuration of BDFM is analyzed. Because the BDFM is composed with power winding and contr

6、ol winding of stator, two winding modes are given, the one is single winging and the other one is double winding. Then the characteristics of these two kinds of windings are analyzed and the configuration of single winding is analyzed especially.Again, as mentioned above, in the basic parameters cal

7、culated from design, the motor power, size, scallop, calculation, finally got a brushless doubly-fed basic parameters. These parameters are calculated according to the asynchronous motor design manuals, especially some data are selected according to the empirical formula of the numerical, finally ob

8、tained the data.KEY WORDS：Brushless Double-Fed ；Machine Parameter Calculating ；structural analysis目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 无刷双馈电机的历史发展21.3无刷双馈电机的研究发展现状31.4无刷双馈电机的应用前景51.5无刷双馈电机研究目的和意义61.6本论文所做的工作8第二章 无刷双馈电机的基本原理102.1 无刷双馈电机的结构102.2无刷双馈电机的结构特征122.2.1定子结构的结构特征122.1.1.1单绕组结构132.1.1.2双绕组结构142.2.2转子结构15第三章 无

9、刷双馈电机的设计183.1 基础参数183.2无刷双馈电机的设计183.2.1 主要尺寸的计算183.2.2铁心设计213.2.3绕组设计223.2.3.1定子绕组节距选择223.2.4电流密度J1的选择及线规、并绕根数和并联之路数的确定243.2.5 定子槽设计263.2.6转子槽及尺寸29第四章 无刷双馈电机的运行334.1运行方式334.1.1异步运行方式334.1.2同步运行方式344.1.3双馈运行方式354.1.4发电机运行方式354.2无刷双馈电机双馈调速的两种工况36附录38参数数据表38参考文献42翻译部分45英文原文45中文译文61致 谢75第一章 绪论1.1 引言无刷双馈

10、电机(Brushless Doubly-Fed Machine，简写为BDFM)是一种结构简单、坚固可靠、异同步通用的电机，可在无刷情况下实现双馈。它具有功率因数可调、高效率的特点，可应用于调速系统和变速恒频发电系统中。它可以在无刷的情况下实现双馈运行，速度及功率因数的调节，且通过变频器的功率仅为转差功率，大大降低了变频器的容量，从而降低了调速系统的成本，减小了对电网的污染，因此它在不久的将来，在大容量交流变速传动系统和变速恒频恒压的风力、水力发电系统中获得广泛应用。无刷双馈电机是一种新型感应电机，同时也是具有同步电机和异步电机特点的交流调速电机，有着简单牢固的无刷结构、可回馈使用的转差功率、

11、可调节的功率因素、小容量的调速控制装置以及多种运行模式等特点，深受国内外研究者的重视。无刷双馈电机具有绕线式转子感应电机和同步电机的优良特性，既可以作为交流调速电动机，又可作为变速恒频发电机。由于电机本身采用特殊的转子结构，取消了滑环和电刷，调速系统的结构改变后，系统运行的可靠性提高，具有明显的优于传统交流调速系统的技术经济指标。因此，它在交流调速驱动中有广泛的应用前景。同时该系统还可以实现变速恒频恒压发电， 大范围地调节无功功率，改善电网地功率因素。图1-1 极连式无刷双馈电机示意图国外对BDFM的研究已从对电机结构的改进阶段，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适于BDFM的控制方法

12、，从而使BDFM实用化的阶段。而国内研究工作还仅限于实验室研究，还没有研制出实用化的样机，因此有必要对其进行深入研究。1.2 无刷双馈电机的历史发展多年来，人们在交流电机无刷化和通用化方面做了大量的研究工作，将两台绕线转子电机同轴连接的串极运行方式是实现感应电机无刷化的一种有效途径。然而这需要两台电机，不仅成本较高，而且安装使用不够方便。无刷双馈电机是由串极感应电机发展而来。串级感应电机是将两台绕线式感应电机同轴串级连接而获得的一种运行方式。这种方法首先在1893年由美国的Steinmeiz和德国的Gorges所发现。由于采用这种方法可以获得低速运行，所以曾引起人们广泛的注意。为了降低成本和提

13、高运行性能，曾经有几次发展单一机组串级电机的尝试，其中贡献最大的是Hunt。Hunt电机具有一套转子绕组和一套具有不同极数的定子绕组，并且具有一个共同的磁路。它可以在电阻控制的方式下获得高启动转矩和速度控制，实现了无刷化。后来Greedy对这种电机进行了进一步的改进，为之设计了精巧的定转子绕组。但是由于定转子绕组极数配合及绕组设计上的种种限制，该电机未能进入实用。直到70年代，Broadway等对Hunt电机进行了较大改进，简化了转子绕组，并使定转子绕组极数配合的范围进一步扩大，将自串级无刷感应电机理论向前推进了一大步。后来Broadway又将相调制理论应用到极变换绕组中，从而使定子绕组对称化

14、，简化了定子绕组，使之可以通过对普通双层绕组经过适当的连接来得到，这为BDFM电机进入实用铺平了道路。到了80年代中期，Heyne和EI-Antably在自串级电机的基础上设计制造了一台8 + 4极的样机，获得了较高的性能指标。80年代末90年代初，无刷双馈电机动态数学模型和两轴数学模型的建立，为BDFM的动态仿真和控制性能的优化提供了坚实的基础。各种控制方法被应用于BDFM，如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制等等。而电力电子器件和微处理器的发展，如IGBT, 8XC 196, DSP等，又进一步促进了BDFM的发展。目前，国外都在研究及开发无刷双馈电机调速系统，在美国

15、、德国、俄罗斯等国己有成功经验，效果很好，并己在工业电力传动和恒频恒压发电领域应用。近十多年来，德国、俄罗斯、法国等先进工业国家对双馈电机进行了广泛的研究，在工业领域得到广泛应用，在某些应用领域显示出独特的技术优势。例如俄罗斯哈尔科夫公司系列化生产的315-2000kW双馈电机调速传动系统，广泛应用火电站及其他部门的各种交流调速传动装置中(如电厂送风机、吸风机、泵等)。法国Alsthom公司生产的双馈电机调速传动系统，其容量从250kW至数千千瓦，主要用于泵与风机调速。与此同时，对无刷双馈电机的研究也在不停的进行中，这其中尤以美国Wisconsin大学、Ohio州立大学、Oregon州立大学等

16、高等院校和科研机构的研究最为突出。研究已从对电机结构的改进阶段，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，寻找适于无刷双馈电机的控制方法。虽然他们对该种电机的运行原理、分析方法和分析手段以及特性仿真等方面做了许多研究工作，但是无刷双馈电机的研制水平却略显滞后。1.3无刷双馈电机的研究发展现状在近三十几年的时间中，美国Wisconsin大学、Ohio州立大学、Oregon州立大学等高等学校和科研机构对无刷双馈电机进行了较为系统和深入的研究，其中，Ohio州立大学对该种电机的研究还曾获得了1991年度美国国家自然科学基金的资助；Oregon州立大学在建模及控制策略方面做了较多的研究，先后提出了网路模型

17、、d-q轴数学模型、同步数学模型及基于这三种模型的多种控制方法。到目前为止，国外对无刷双馈电机的研究已从对电机结构的改进阶段，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适合的控制方法，从而使进入实用化、应用化的阶段，如风力发电、中、高压调速系统等。国内对无刷双馈电机研究起步较晚，90年代以来，国内一些高等院校和科研机构对该种电机进行了研究，取得了一些成果。近几年来，国内对同步电机的无刷励磁、绕线式异步电机双馈调速都有不同程度的研究，对无刷双馈电机的研究和以前相比也有了较大的提高。 (1)无刷双馈电机的运行理论与分析方法的研究现状。由于无刷双馈电机的结构和运行原理与常规交流电机相比有较大的不同，

18、属于一种新型的交流电机，因此关于该种电机运行原理分析的文章较多。早期文献中，Hunt和Greedy分别研究了自串级电机的运行原理及其结构上的改进，提出了将同轴串级联接的两台感应电机合二为一的方案单一定转子铁心的自串级电机，形成了无刷双馈电机的雏形。七十年代，Broadway用转子槽矢量图详细研究了自串级电机的笼型转子或绕线式转子对定子两套不同极数绕组的“极数转换器”调制作用，奠定了无刷双馈电机原理的分析基础。后来的研究者大多都沿用了这种分析方法即无刷双馈电机是源于两台感应电机的串级联接，并据此分析无刷双馈电机的运行原理。根据笼型转子短路绕组的磁障作用，Broadway等人提出了可用磁阻转子替代

19、短路的笼型转子。八十年代中期，Heyne和EIAntably在自串级感应电机的基础上，提出了一种双励磁磁阻电机并公布了样机的试验结果。该种电机用于自串级电机的隐极式绕线转子将被新型的磁阻转子结构（ATA轴向迭片转子）所代替，电机的性能指标也有了较大的提高。近年来，对无刷双馈电机的研究主要集中在英、美等国，而且基本形成两大流派：其一是以A. Wallace教授和R. Spee教授为首的美国Oregon州立大学以及以Williamson教授为首的英国剑桥大学，他们重点研究笼型转子结构的无刷双馈电机（BDFM）；另一流派是以T.A.Lipo教授为首的Wisconsin大学和以L.Xu教授为首的Ohi

20、o州立大学，他们重点研究磁阻转子结构的双励磁磁阻电机。他们对无刷双馈电机的转子结构各持己见，对两种转子结构的无刷双馈电机的分析方法有所差异，并且形成了两套不同的分析研究体系。等效电路是对交流电机进行特性分析的一种有效工具和分析手段，而从结构上的巨大差异决定了传统的交流电机的等效电路不能再直接应用于无刷双馈电机，因此，导出无刷双馈电机的等效电路和电磁转矩表达式对于进行该种电机的电磁设计和性能计算将具有十分重要的指导意义。L.Xu和F.Liang从电机的基本方程入手，借助坐标变换技术，分别导出了同步和双馈运行的无刷双馈磁阻电机在dq0坐标下的等效电路及其参数简化计算公式。Ruqi Li等人导出了笼

21、型转子无刷双馈电机的双轴模型即在dq0坐标系中的d轴和q轴等效电路及转矩计算公式。该等效电路由功率绕组、控制绕组和转子绕组三部分组成，含有八个电路分支，使用起来不够方便，另外，dq0坐标下的等效电路也不够直观。因此，推导出无刷双馈电机在实际的abc坐标下的基本电磁关系并导出等效电路及其参数的计算公式，不仅为分析研究无刷双馈电机的参数和稳态运行特性提供了一种简便的工具，而且对于完善该种电机的设计手段、分析方法和仿真计算等都具有重要的指导意义。(2)无刷双馈电机特性仿真与参数计算方法的研究现状。现代化的仿真技术是研究和设计新型电机的一种有效的途径和方法，通过仿真研究可以预测所设计电机的各种瞬态和稳

22、态性能，为进一步改进电机设计、提高电机性能提供依据，特别是对于结构和原理上与常规电机相比具有较大不同的新型无刷双馈电机，仿真研究尤为重要。在无刷双馈电机的性能仿真研究领域，国内外学者做了许多工作。分别建立了同步和双馈运行的无刷双馈电机在dq0坐标系统中的数学模型，并进行了仿真研究。而且还建立了无刷双馈电机在dq0坐标系下的通用数学模型，并给出了不同运行方式下的动态仿真结果。可以看出，现有的无刷双馈电机的数学模型大多建立在dq0坐标系基础之上，虽然参数计算简单一些，但模型中的电压、电流等状态变量与电机绕组中的实际电压电流不同，计算值需要通过坐标变换方可与测试值相比较，另外，其电压、电流变量也不能

23、与变频器电压、电流变量直接耦合，给变频器无刷双馈电机系统的仿真研究带来一定的困难。因而，上述数学模型不够直观，使用起来也不够方便。上述的不同转子结构无刷双馈电机的数学模型，不仅形式各异，而且在仿真研究中大多忽略了电感参数脉动和谐波的影响，因此缺乏准确性。此外，未见无刷双馈电机控制绕组由SPWM电源供电的双馈运行方式特性仿真的文献报道。因此，研制一套能用于无刷双馈电机多种运行方式（异步、同步和双馈运行）稳态和动态性能仿真计算的软件包，对于研究无刷双馈电机的运行性能、提高该种电机的设计水平以及推进其实用化进程均具有十分重要的意义。电机的绕组参数是进行特性仿真计算的基础，也是间接评价电机性能优劣的重

24、要依据。电机的参数计算可以由磁场分析来完成，也可以通过磁路计算而获得。磁场分析法比较复杂，但精度较高：磁路计算法相对简单，便于对大量设计方案进行对比研究，尽管精度稍差，但一般仍可满足工程计算精度要求。已有人用有限元法分析了无刷双馈磁阻电机的气隙磁场；还有人提出并运用绕组函数法导出了凸极磁阻转子无刷双馈电机电感参数计算的简便公式，但忽略了电感参数的谐波成分。1.4无刷双馈电机的应用前景无刷双馈电机是一种结构相对简单，加工比较方便，坚固可靠的电机。它具有异、同步通用的特点，可以在没有电刷的情况下实现双馈，从而具有转速稳定(同步速)、更加安全等优点。如果变频器用于无刷双馈电机极数较少的定子绕组，那么

25、不仅可以实现电机转速的平滑调节，更重要的是大大降低了变频器的容量，极大地克服传统变频调速系统中由于变频器的容量、谐波污染、可靠性以及控制复杂等带来的问题。对于那些中、高压的场合，传统调速系统必须采用耐高压的GTO或GTR，开关频率不能过高，因此性能不够理想。如果采用BDFM，那么就可以使用IGBT，开关频率可以大大提高，系统性能得到优化。而且在变频器出现故障的情况下，BDFM可以作为普通异步电机运行，这对于那些绝对不允许停机的场合十分重要。由此看来，BDFM将在一定程度上取代传统电机。无刷双馈电机的功率绕组频率、控制绕组频率以及转子旋转频率之间存在着互相依赖的关系。在发电情况下，如果将转差频率

26、的电流或电压加到控制绕组中，就可以实现功率绕组的恒频输出。这对于转子速度经常变化的系统，例如风力发电、水力发电等，十分有效。无刷的简单结构和无需机械转速调节(恒频)装置的特点，使BDFM更能满足那些无、少维护的野外环境的需要。总之，无刷双馈电机作为一种新型电机，由于它可以在无刷的情况下实现双馈，速度可调，既可同步运行又可异步运行，且变流装置只需处理滑差功率，装置容量比电机容量小得多，减小了对电网的污染，因此它必将在不久的将来，在中、大容量调速系统和变速恒频发电系统中获得广泛的应用，取得较大的经济和社会效益。1.5无刷双馈电机研究目的和意义无刷双馈电机不但取消了电刷和滑环，提高了电机运行的可靠性

27、，减小了维护的成本，而且可方便地实现异步、同步、双馈和变速恒频发电等多种运行方式；同时还与转子接串调或双馈装置的绕线电机相似，可用较小容量的变频器对功率较大的电机进行调速，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，而且对该种电机的进一步研究和开发可能会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。图1-2 无刷双馈电机的机构图(1)无刷双馈电机可以有效解决高压电机变频调速系统中的技术难题。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

28、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，系统的可靠性较差，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压变为低压，经低压变频后，再用升压变压器升压，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。(2)无刷双馈电机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

29、负载量大，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而不可及。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速节能的关键所在。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，大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

30、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。无刷双馈变频调速与其它调速系统相比，具有以下突出的优点：a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。b与有刷双馈和串调速系统相比，取消了电刷和滑环，提高了系统运行的可靠性。c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。d电机的运

31、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。(3)无刷双馈电机可以大大提高水力、风力发电系统的可靠性。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，取得了许多研究成果并己成功地应用于生产实际。但绕线式感应发电机具有电刷和滑环，故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

32、的频率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，在对无刷双馈电机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。(4)无刷双馈电机可作为异步和同步通用电机。目前应用于工农业生产中面广量大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，它们各有自

33、己的优缺点。同步电机和绕线式感应电机都采用电刷和滑环来实现转子绕组与外部电路的连接，由于滑动接触和电刷磨损，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易爆气体环境中的应用。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样方便，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于一体，既无刷（坚固可靠）又通用（能实现多种运行方式）的新型交流电机是一个重要的发展方向，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

34、电机结构得到简化，而是将励磁控制元件固定在转子上，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素。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。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联接与馈电方式，可以方便地实现自起动、异步、同步和双馈等多种运行方式，使其既具有良好的

35、启动特性，又具有优良的运行性能。1.6本论文所做的工作通过上面所述的关于无刷双馈电机的发展历史、研究现状和应用前景，可以对无刷双馈电机的过去、现在和将来有一个比较清晰得了解和认识。通过对这些背景知识的了解，本文在前人的基础上，以无刷双馈电机为研究对象，结合国内、外有关文献，对无刷电机与原理相关的基本理论，定、转子结构，参数计算，稳态运行进行了研究，主要的研究内容包括：(1)对无刷双馈电机的原理进行了分析。从功率角度分析了无刷双馈电机的变频调速原理，并得到了转速公式，发现当定子两套绕组的相序相反（亚同步）时电磁转矩同向，从而得到了进一步的无刷双馈电机的转速公式。(2)进行了无刷双馈电机的功率分析

36、。最终得到定子绕组中功率绕组及控制绕组各自的电磁功率公式，为了降低功率绕组变频器的容量，降低运行成本，这类无刷双馈电机适合拖动启动转矩较小的风机和泵类负载。(3)分析了无刷双馈电机的结构。无刷双馈电机的定子结构较其它电机比较特殊，它是由两套绕组功率绕组和控制绕组构成的，产生两套绕组有单绕组和双绕组两种形式，从特点上讲，单套绕组和双套绕组各有优缺点。单套绕组可以增加导体截面积，铜损耗和漏抗相对得到减少，因此无刷双馈电机有较好的效率及堵转力矩，但绕组设计困难，两绕组之间干扰较大。双套绕组会降低定子槽的利用率、材料的利用率及电机效率，但设计比较简单，定子绕组设计有较大的灵活性，便于获得主、副绕组之间

37、较理想的耦合关系。本文侧重单绕组进行了分析，采用单套绕组时定子依然引出六根接线端，其中三根功率绕组，三根控制绕组，而其从不同绕组端口看入时会呈现出不同的极对数，本文为了能够进一步明确的分析这种单绕组结构，将定子绕组中的功率绕组和控制绕组分别拆出一相，进行解剖分析，这样就能够对单绕组结构有了一个十分明确的认识。此后，对转子的基本形式、笼形转子绕组的形式、导条数的选取、短路线圈槽数的选取分别进行了分析，从而为无刷双馈电机设计和参数优化提供了理论依据。(4)对无刷双馈电机的定、转子参数进行了计算。无刷双馈电机定子绕组的参数计算中，单绕组与普通的异步电机基本相同；双绕组除槽漏抗外，其余与普通的异步电机

38、基本相同。计算双绕组的槽漏抗时，将功率绕组和控制绕组所占槽面积求出后进行计算。无刷双馈电机转子绕组的参数计算时，需要将转子绕组折算成三相，然后计算功率绕组与转子之间的互感、转子绕组的自感和转子绕组的电阻。第二章 无刷双馈电机的基本原理2.1 无刷双馈电机的结构无刷双馈电机的基本结构形式如图所示，电机的定子侧有独立的两套绕组，分别为功率绕组和控制绕组；转子是经过特殊设计的结构，通常有两种形式，即鼠笼式和磁组式。(1) 定子结构和绕组连接BDFM的定子尺寸可以按照一般感应电机的设计方法来设计，与一般的感应电机没有很大的区别，但是由于定子中存在两套不同极对数的绕组，定子绕组的连接型式存在较大的差异。

39、BDFM调速系统一个特点就是能够降低调速时所需变频器的容量，这只有在极数较多的绕组接至电网、极数少的绕组由变频器供电的前提上才能实现。在图中所示的，直接接至电网的、极数较多的绕组称为功率绕组；通过变频器接电网的、极数较少的称为控制绕组。BDFM要将功率绕组和控制绕组放在同一定子中，就必须考虑几方面的问题。a 要实现在气隙中产生不同极数的磁场，是采用同一套绕组还是采用分别独立的两套绕组；b 如何通过两种绕组合理的排列分布，使其能够在同一个气隙中产生两种不同的极对数的磁场。c 这两种不同的磁场波形要接近正弦波，并尽量地消除谐波的影响；d 怎么使能量能在气隙之间得到高效的传递等。对于1-3的要求，按

40、照一般的感应电机设计要求就可以完全得到满足。对于 4 的要求，实际上也是 BDFM的原理性要求。一般来说，BDFM的定子功率绕组和控制绕组不能有直接的电磁耦合。这就要求当一套绕组通过电流时，另一套绕组的出线端的合成感应电动势为零或出线端之间的线感应电动势为零，反之亦然，以避免功率绕组和控制绕组端口通电时引起工频电源的附加电流。这也是BDFM定子绕组连接型式设计的目的。此外，绕组在选择线圈节距和线圈组排列时，须同时兼顾两种不同极对数小削弱有害谐波的要求。 从理论上讲，这种要求通常可以通过以下两种方法来实现：1 两套定子绕组方案：在定子上安排两套分别对应于两不同极对数的绕组；2 单套绕组方案：BD

41、FM的两套绕组公用一套绕组，通过合理的安排使得气隙中的磁场为两个不同极数的旋转磁场。此外还有几种不同的绕组方案：3 多并联支路单套绕组方案：定子绕组的每相都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；4 内部交叉连接绕组方案：主要用于极对数的配合比率为“奇：偶”或“偶：奇”的情况；5 极幅调制（PAM）绕组方案：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绕组的分布系数较低。在对BDFM的研究中，大部分采用前两种方案。单绕组和双绕组方案各有其优缺点：当定子功率绕组和控制绕组采用

42、两套独立绕组时，采用各自的分布和短距绕组，能够使两套绕组均具有较高的绕组系数，并可以有目的地消除某些谐波的影响，使绕组设计具有较大的选择余地，因此，绕组的设计具有很大的灵活性，这是BDFM在定子绕组设计中最为简单的一种方法，但是，采用该类绕组方案时，每槽中往往采用四层绕组，槽的利用率低，从而导致电机的有效材料利用率的降低。当定子功率绕组和控制绕组采用一套绕组时，可以大大提高电机槽的利用率，从而大大提高了电机的有效材料的利用率。但是，单套绕组方案由于要兼顾功率绕组和控制绕组二者的性能，特别是要求单套绕组在连接成功率绕组和控制绕组时要保证各并联之路均具有相同的电势，从而限制了绕组设计的灵活性，另外

43、，绕组节距的选取也要受到限制。 (2) 转子的基本结构类型无刷双馈电机转子有两种结构形式，一种是磁阻式结构，该种转子结构形式简单，转子一共形成P个凸极磁阻磁极(，式中定子功率绕组的极对数，定子控制绕组的极对数)，定转子之间气隙为非均匀气隙；另一种是笼型绕组形式，定转子之间气隙为均匀气隙，该种转子一共形成同心式线圈结构(，式中定子功率绕组的极对数，定子控制绕组的极对数)，绕组端部可采用各回路独立的连接形式，也可以采用公共导条连接的形式。两种转子结构的形式. 第一种转子型式的无刷双馈电机称为无刷双馈磁阻电机(Brushless Doubly-Fed Reluctance Machines 简称BD

44、FRM)。第二种转子型式的无刷双馈电机称为无刷双馈感应电机(Brushless Doubly-Fed Machines，简称BDFIM ) ;在国内文献中也称笼型无刷双馈电机。一般说无刷双馈电机(Brushless Doubly-Fed Machines，简称BDFM)是指第二种电机形式。a)b)图2-1 无刷双馈电机转子形式展开图2.2无刷双馈电机的结构特征2.2.1定子结构的结构特征无刷双馈电机的定子铁心与普通交流电机基本相同,研制时可借用现有相应产品规格的定子冲片,以降低制造成本。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。无刷双馈电机定子绕组可以由1套也可以由彼此绝缘的2套绕

45、组构成,但严格禁止功率绕组和控制绕组间有的直接功率传递。由于1套绕组可以提高槽空间的利用率,增加导体截面积,减少了铜耗,减少了漏抗,因此无刷双馈电机有较高的效率和堵转力矩。但如绕组设计不当,会出现较多的空间谐波。如果定子采用2套绕组结构,会降低材料的利用率及电机效率,但会给定子绕组设计带来较大的灵活性。从目前的研究来看一般多采用2套定子绕组。当定子的功率绕组和控制绕组共用1套绕组时,定子绕组有6个出线端,功率绕组的控制绕组同时供电时,该定子绕组中将产生2个独立的不同极数的旋转磁场,为使2个电源互不干扰, 极对旋转磁场在定子绕组中产生的感应电势,应在极对绕组的3个出线端(即控制端口)间无电势差,

46、当控制端口通电时,不会引起工频电源的附加电流;同理要求极对旋转磁场在定子绕组中的感应电势,也应在对绕组的出线端间无电势差,不引起变频电源的附加电流。按此原则设计无刷双馈电机定子绕组,可达到2个电源彼此独立,且无电功率的直接传递,同时又能准确控制无刷双馈电机转速的目的。功率绕组和控制绕组极对数()的确定与无刷双馈电机调速范围、变频装置的额定容量、电机的运行特性等有密切的关系。同时由于无刷双馈电机正常运行时,电机中存在2个彼此独立、不同极对数的定子旋转磁场,因此当配合不当时,将会在电机中产生不平衡磁拉力,引起电机的振动和噪声,影响电机的转矩特性。综合分析表明无刷双馈电机功率绕组和控制绕组极对数应满

47、足()1。例如设计一台同步速为750r/min的无刷双馈电机,可选择功率绕组和控制绕组极对数分别为、。无刷双馈电机的铁芯和一般的交流电机铁芯无异，但是，为了在气隙中产生两种不同极对数的磁场，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。一般有两种实现形式，可以采用彼此绝缘的两套绕组，也可通过单绕组的不同抽头连接来实现，具体采用哪种形式，应综合考虑关因素，以提高电机性能为前提。不论采用哪种结构，都严格禁止功率绕组和励磁绕组之间的直接功率传递。2.1.1.1单绕组结构单绕组结构，即一套绕组有两个端口六个出线端，分别作为工频和变频电源的接入口，经其供电产生不同极对数磁场。两种不同频率的电流同时

48、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。为了使两个电源间下相互独立，功率端凡对极旋转磁势在定子绕组中产生的感应电势，应在极励磁端的三个出线端间无电势差，当励磁端通电时，不会引起功率端的附加电流:同时，由励磁绕组P,对极旋转磁场在定子绕组中产生的感应电势也应在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。根据这个构成原则，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。由于极对数、。，定子36槽，利用自并联技术得出了符合条件的定子绕组的60度相带和120度相带的绕组连接如下图所示，“一”号表示电流反向。当A, B, C端口接三相对称电源时

49、，绕组生成6极磁场;当a, b, c端口接三相对称电源时，绕组生成2极磁场。在定子单绕组设计中需要特别注意的是不同极数连接时可能出现的环流问题。 一般情况下电机生成两种极数磁场时三相之间都能保持对称，但从一相的并联支路来看可能会在某一种极对数连接时(如连接时)因支路线圈间参数(如互感)不相等而呈现各支路电势的不平衡，引起支路间的环流。此时只能尽量保证在生成多极对数的连接中使各支路对称，而使支路的不对称情况出现在极对数少的连接中。这样由于不同极数磁场的电磁功率与极对数成正比，引起的环流影响可以得以削弱。图2-2 单绕组结构接线图2.1.1.2双绕组结构定子也可以采用彼此绝缘的双绕组结构，尤其对于

50、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，这时可采用双组设计方案，示意图如图所示。此时，极数分别为 的两套三相对称绕组相互独立，可按各自要求选取最佳的绕组节距和绕组排列，特别是可有目的地消除某些谐波影响，两种极数的绕组皆能得到较充分的利用，使设计具有较大的选择余地，定子绕组的设计具有灵活性。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。采用单绕组的好处是定子槽和绕组的利用率高，增加导体截面积，铜损耗相对小些，但设计困难，考虑因素较多，组成结构复杂以及线圈布置上存在局限性，尤其是设计不当时，谐波成分增加，反而会降低电机效率，影

51、响电机的性能，不易得到主、副绕组两全其美的方案。对于双绕组方案，虽然槽利用率低些，材料用量多，但设计容易，可以通过对绕组系数的选择有效地生成所需的磁场。设计中有较大的选择余地，便于获得主、副绕组之间较理想的耦合关系。因此，本文在电机设计过程中，考虑性能要求，定子采用了6/2极的双绕组方案。图2-3 双绕组结构接线图2.2.2转子结构无刷双馈电机的转子同时耦合着极数不同的功率绕组和控制绕组,常称为“极数转换器”,其作用的强弱直接影响着电机的性能。当无刷双馈电机功率绕组和控制绕组的极对数分别为时,为了实现电机转子的极数转换作用,转子的极对数通常设计为。无刷双馈电机通常采用的转子结构开型式有四种。无

52、论采用哪种转子结构,其作用均是通过特定的磁路结构,产生交直轴方向的磁阻差异,从而使功率绕组和控制绕组产生的不同极数的气隙磁场得以调制。 图2-4 各种转子结构图第三章 无刷双馈电机的设计3.1 基础参数控制绕组输出功率 =1kw功率绕组输出功率 =3kw功率因数 =0.82效率 功率绕组极对数 P=3控制绕组极对数 P=1接法为 Y型连接相电压电压基准值 =220V3.2无刷双馈电机的设计 3.2.1 主要尺寸的计算首先根据电机的额定功率,得出计算功率 （3-1）则 可以得到P为3.34875kw同时选取主要尺寸比 电动机的主要尺寸是指定子内径和铁心有效长度.主要尺寸方程式是电机的功率与主要尺

53、寸、电磁负荷及转速等参量之间的关系。= V = （3-2）式中:A为线负荷 选取25000A/m 电负荷的确定定子两套绕组均匀分布在定子铁心槽内，BDFM正常工作时两套绕组同时通电，因此BDFM的电负荷应为: （3-3） 其中=A =A 应根据两套绕组的数据计算，考虑该电机发热问题，一般而言A的取值不应大于常规电机的取值。而且由于功率绕组的功率输出要大于控制绕组的输出，因此在设计的时候要把功率绕组考虑的大些。当计算功率P与转速n一定时，电机的主要尺寸决定于电磁负荷A、。电磁负荷越高，电机的尺寸就越小，质量就越轻，成本也越低。这就是在可能情况下，一般总希望选取较高的A和值的原因。但电磁负荷值的选

54、取与很多因素有关，不但影响电机的有效材料的耗用量，而且对电机的参数、起动和运行性能、可靠性等都有重要的影响。当A的值选取过高时有以下特点：(1)电机的尺寸和体积将较小，可节省钢铁材料。(2) 一定时，由于铁心质量减小，铁耗随之减小。(3)绕组用钢（铝）量将增加，这是由于电机的尺寸小了，在不变的件下，每极磁通将变小，为了产生一定的感应电动势，绕组匝数必须增多。(4)增大了电枢单位表面上的铜（铝）耗，使绕组温升增高。这是因为绕组有效部分（即槽内部分）的铜（铝）耗在与 J一定时，随着电负荷A的增大而增大。在其他条件不变的情况下，为了避免电机温升过高，A与J的乘积就不能超过一定的限度。A若选的较大，就

55、相应要选小些，但这会使绕组用料增加。为气隙磁通密度幅值 选取为0.733T 。 的选取过大时，会对电机造成以下影响： 电机的尺寸和体积将较小，可节省钢铁材料。 使电枢基本铁耗增大。这是因为提高后，在其他条件不变时，虽会使与电枢铁心质量减小，但因电枢铁心中的磁密与间有一定的比例关系，铁内磁密将相应增加，铁的比损耗(即单位质量铁心中的损耗)是与铁内磁密的平方成正比的。因此随着的提高，比损耗增加的速度比电枢铁心质量减小的速度为快。而电抠的基本钱耗系等于其铁心质量和比损耗的乘积，因此提高后，将导致电枢铁耗增加，效率降低，在冷却条件不变时，温升也将升高。(5)气隙磁位降和磁路的饱和程度将增加。提高后，一

56、方面直接增大了气隙磁位降的数值；另一方面，由于铁内磁密增大而使磁路饱和程度增加。这样，对于直流电机和同步电机，会固励磁磁势增大而引起励磁绕组用钢量与励磁损耗增加，效率降低；在冷却条件不变时，使励磁绕组温升增高。有时还会因励磁绕组体积过大而使布置发生困难(内极式电机)，或导致磁极与电机外形尺寸加大(外极式电机)。对于异步电机，会因励磁电流增加而使功率因数变坏。(6)改变了电气参数与电机特性。随着的增大，绕组电抗的标么值将减小，从而影响电机的起动特性和运行特性。由上可见，应从电机综合技术经济指标出发来选取最合适的A和值，以便使制造和运行的总费用最小而且性能良好。 除了不应选择过高的A、数值外，还应

57、考虑它们的比值要适当。因为这一比值不仅影响电机的参数和特性，而且同钢(铝)耗与铁耗的分配密切有关，也即会影响电机效率曲线上出现最高效率的位置。正因为这样，对经常处于轻载运行的电机，通常宜选用较大的A值和较低的值，以便在轻载时能得到较高的效率。电机的冷却条件对电磁负荷的选用也有重要影响。例如防护式电机，由于冷却条件较好，选用的A、可比相同规格封闭式电机的高，对一般小型异步电机，通常可高出1520%左右。电机所用的材料与绝缘结构的等级也直接影响电磁负荷的选择。所用绝缘结构的耐热等级愈高，电机允许的温升也就愈高；导磁材料(包括兼起磁路作用的某些结构部件的材料)性能越好，允许选用的磁密就可越高。电枢绕组采用铝线时，由于其电阻率较大，为保证足够的安放空间以免电损耗过大，往往采用比钢线时较低的电磁负荷。A、的选择还和电机的功率及转速有关，确切地说是与电枢直径(或极距)及转子的圆周速度有关。圆周速度较高的电机，其转子与气隙中冷却介质的相对速度较大，因而冷却条件有所改善，A、可选得大些。电枢直径(或极距)愈小，所选取的A和也应愈