宋運(yùn)雄，彭曉，劉萬(wàn)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(wú)刷雙饋電機(jī)(Brushless Doubly-fed Machines簡(jiǎn)稱BDFM)是在自級(jí)聯(lián)異步電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種異同步通用的新型交流調(diào)速電機(jī)，其定子上有兩套極對(duì)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(guò)轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢(shì)諧波對(duì)定子不同極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)功率繞組和控制繞組同時(shí)供電時(shí)，定子繞組中將產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的不同極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，為使兩個(gè)電源互不干擾，功率繞組pp對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，應(yīng)在控制繞組pc對(duì)極繞組的三個(gè)出線端(控制端口)間無(wú)電勢(shì)差;當(dāng)控制端口通電時(shí)，就不會(huì)引起工頻電源的附加電流;同理要求控制繞組pc對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，也應(yīng)在功率繞組pp對(duì)極繞組的三個(gè)出線端(功率端口)間無(wú)電勢(shì)差，這樣設(shè)計(jì)的定子繞組，可達(dá)到兩個(gè)電源彼此獨(dú)立、且無(wú)電功率的直接傳遞、同時(shí)又能控制雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)刷雙饋電機(jī)接線靈活，可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)來(lái)提高兩種基波極對(duì)數(shù)的繞組系數(shù)，同時(shí)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(diǎn)，并可望獲得更好的性能。本文對(duì)繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無(wú)刷雙饋電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了論述，并結(jié)合實(shí)例給出定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組具體不同的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案進(jìn)行了具體的環(huán)流分析和驗(yàn)證。

1 定子雙套繞組的設(shè)計(jì)

1.1 繞組方案的確定

定子雙套繞組設(shè)計(jì)步驟如下

(1)畫出功率繞組的槽號(hào)相位圖，并按要求確定相屬;(2)畫出控制繞組的槽號(hào)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(duì)方對(duì)應(yīng)的槽號(hào)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(jìn)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(hào)相位圖如圖1 所示。

圖1 54 槽6 極和2 極的單極槽號(hào)相位圖

由于三相繞組是對(duì)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(duì)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(shí)A 相的6 個(gè)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。控制繞組采用的是正規(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(hào)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(shì)互差120°，故得其合成電勢(shì)為0;A2、A4、A6 三者之間的電勢(shì)差也是120°，這樣其合成電勢(shì)為0，也即是按照?qǐng)D示接法。

定子功率繞組對(duì)定子控制繞組是沒(méi)有互感電勢(shì)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(shì)在5 的中間處，10 至18 的合成電勢(shì)在14 的中間處，而5 和14 的電勢(shì)互差(14-5)×360°/18=180°，這樣兩者的電勢(shì)之和必為0，也即是按照?qǐng)D示接法，能保證定子控制繞組對(duì)定子功率繞組沒(méi)有互感電勢(shì)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(jì)

2.1 轉(zhuǎn)子單套繞組設(shè)計(jì)步驟

變極法的原理主要是利用級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子兩套繞組反相序串級(jí)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(jì)中，構(gòu)成一個(gè)多相自閉合多支路回路的對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)，使得同一套繞組對(duì)兩種極對(duì)數(shù)既能感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生電流，又能作為對(duì)方的激磁源，這樣便可強(qiáng)制產(chǎn)生兩種不同極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這里采用自并聯(lián)法，所謂自并聯(lián)法，就是將生成的2pp對(duì)極磁場(chǎng)的每相繞組用三條并聯(lián)支路來(lái)構(gòu)成，并從每相繞組中選取一條支路并聯(lián)構(gòu)成2pc對(duì)極磁場(chǎng)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(chǎng)每相繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)幅值相等，相位差120°。同時(shí)，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(jì)要求。具體設(shè)計(jì)步驟如下:(1)畫出雙極槽號(hào)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(shì)同相位同大小。

2.2 轉(zhuǎn)子單套繞組設(shè)計(jì)實(shí)例

圖4 36 槽6/2 雙極槽號(hào)相位圖

因?yàn)樗捎玫淖儤O繞組連接方式為3Y/3Y，故對(duì)應(yīng)每相每種極數(shù)下應(yīng)有三條并聯(lián)支路，也就是說(shuō)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(duì)此區(qū)域相位圖進(jìn)行劃分和選取所對(duì)應(yīng)的槽號(hào)時(shí)，應(yīng)盡量滿足下面幾條原則，以保證兩種極對(duì)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(hào)分布對(duì)4p 應(yīng)滿足同相位同大小的原則，以消除3Y 并聯(lián)時(shí)的環(huán)流，對(duì)4p 而言，因其水平方向分布的對(duì)稱性則自然滿足這個(gè)條件;(2)所得的三條支路的槽號(hào)分布對(duì)6p 應(yīng)是三相對(duì)稱平衡的，也就是說(shuō)要互差120°電角度，且每支路槽號(hào)合成矢量大小相等;(3)在此區(qū)域劃分所選取的槽號(hào)，在由對(duì)稱性推得另外兩相的槽號(hào)時(shí)，要滿足槽號(hào)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(hào)分布對(duì)兩種極對(duì)數(shù)均呈現(xiàn)相對(duì)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(duì)應(yīng)于4p 便為60°相帶，對(duì)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(shí)三條支路對(duì)應(yīng)于6p下的槽號(hào)分布情況均為(1，1，1，1)，括號(hào)里的數(shù)字表示處于6p 下同一電角度相位的槽號(hào)個(gè)數(shù)，它對(duì)單層繞組是線圈邊數(shù)，對(duì)雙層繞組是線圈個(gè)數(shù)，可見(jiàn)這時(shí)對(duì)6p 來(lái)講，三條支路剛好滿足先前的劃分原則(2)。對(duì)應(yīng)的三條支路在4p 下的槽號(hào)分布情況則分別為(2，1，1)、(1，2，1)、(1，1，2)，可見(jiàn)這時(shí)對(duì)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(hào)分析圖(部分)

為此可通過(guò)選取不等匝線圈來(lái)獲得同大小同相位的對(duì)應(yīng)支路，從圖中很容易知道，當(dāng)將圖中畫虛線的幾個(gè)槽號(hào)所代表的線圈的匝數(shù)加倍時(shí)，即可剛好滿足前述的幾條要求。這時(shí)對(duì)應(yīng)于4p 下每條支路中各槽號(hào)的等效分布為(2，2，2)，這里括號(hào)內(nèi)的數(shù)字對(duì)應(yīng)著4p 下同一電角度相位下得總匝數(shù)的相對(duì)數(shù)，且三條支路的分布是完全相同的;對(duì)應(yīng)于6p 下的等效槽號(hào)分布均為(1，2，2，1)，也即滿足對(duì)6p 應(yīng)為三相對(duì)稱平衡的原則。分析表明，當(dāng)選取節(jié)距為6 時(shí)，每槽槽滿率相等，這在工藝上也是可行的。此時(shí)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(shí)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(biāo)表示相對(duì)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(jì)

3.1 繞組方案的確定

對(duì)于轉(zhuǎn)子雙套繞組的設(shè)計(jì)，具體步驟與定子雙套繞組的設(shè)計(jì)思路是一樣的，下面以36 槽6/2 極為例來(lái)說(shuō)明。根據(jù)它們的單極槽號(hào)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(shí)A 相的6 個(gè)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(shì)大小相等，方向相差120°，這樣A1、A3 和A5 的電勢(shì)合成為0;同樣，A2、A4、A6 的電勢(shì)大小也相等，方向也相差120°，A2、A4、A6 的合成電勢(shì)也為0，這樣互感合成電勢(shì)還是0，也即轉(zhuǎn)子功率繞組對(duì)轉(zhuǎn)子控制繞組沒(méi)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(shí)A 相的4 個(gè)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(shì)大小相等，方向相差180°，也就是說(shuō)A1和A2 的電勢(shì)合成為0，同理A3 和A4 的電勢(shì)大小也相等，方向也相差180°，A3 和A4 的合成電勢(shì)也為0，這樣互感合成電勢(shì)還是0，也即轉(zhuǎn)子控制繞組對(duì)轉(zhuǎn)子功率繞組同樣沒(méi)有互感產(chǎn)生。另外對(duì)于這種轉(zhuǎn)子采用雙套繞線的BDFM 來(lái)說(shuō)，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(dú)立外，定子對(duì)應(yīng)繞組對(duì)轉(zhuǎn)子異極繞組或者轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)繞組對(duì)定子異極繞組也要彼此獨(dú)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(yǔ)

繞組設(shè)計(jì)是無(wú)刷雙饋電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文介紹了繞線型無(wú)刷雙饋電機(jī)的設(shè)計(jì)思路和方法，并經(jīng)過(guò)比較，從中選擇了最優(yōu)方案。用這種思路設(shè)計(jì)的繞組方案，不會(huì)在并聯(lián)支路中產(chǎn)生環(huán)流，不會(huì)在對(duì)方繞組中產(chǎn)生互感電勢(shì)，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(duì)應(yīng)繞組的極數(shù)轉(zhuǎn)換器作用，提高了無(wú)刷雙饋電機(jī)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(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中到底選用何種方案，需根據(jù)工廠工藝等實(shí)際情況加以分析比較后做出正確的選擇。

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