夏 冰，陳 鵬，李浩源，劉 沁

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 引言

無(wú)刷雙饋電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Motor，BDFM)起源于串級(jí)連接繞線轉(zhuǎn)子三相交流感應(yīng)電機(jī)。這種電機(jī)是兩個(gè)獨(dú)立的定子和同軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)倪B接改進(jìn)，取消了電刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，并且有良好的低速運(yùn)行和起動(dòng)性能，是近幾年國(guó)內(nèi)外發(fā)展較為迅猛的一種新型交流感應(yīng)電機(jī)。目前其研究主要集中在風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電和高壓調(diào)速方面。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)轉(zhuǎn)子繞組采用弓形規(guī)律對(duì)稱(chēng)分布的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究。該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是一種基于磁動(dòng)勢(shì)式的繞線式轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)，繞組節(jié)距可以根據(jù)需要自由選擇，且兼顧兩種極對(duì)數(shù)，具有接線方式靈活多樣，繞組系數(shù)高，諧波含量低等特點(diǎn)。以一臺(tái)4/2對(duì)極2 kW軸無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)為例說(shuō)明。

1 BDFM的結(jié)構(gòu)

1.1 定子結(jié)構(gòu)

BDFM的定子結(jié)構(gòu)與普通異步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)基本相同，主要差別在于BDFM含有兩套定子繞組，有單繞組和雙繞組兩種結(jié)構(gòu)。定子繞組在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證兩套繞組中的電流在對(duì)方繞組出線端端口的合成電動(dòng)勢(shì)為零。用單繞組設(shè)計(jì)時(shí)，可以提高定子槽的利用率，從而提高鐵心材料的利用率，但兩套繞組較難同時(shí)得到較高的繞組系數(shù)。采用雙繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，定子槽的利用率降低，定子槽散熱變差，但兩套繞組能相互獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)，兩套繞組容易得到理想的繞組系數(shù)。

1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

BDFM的轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)通常采用磁阻式或繞線式。磁阻式BDFM主要是利用電機(jī)力圖使磁路磁導(dǎo)最大的調(diào)制效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。磁阻式設(shè)計(jì)的BDFM的容量很難提高，所以限制了BDFM在大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電、船用軸帶發(fā)電等大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。基于變極法或齒諧波法設(shè)計(jì)的繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的BDFM不僅設(shè)計(jì)靈活，而且有效降低了磁場(chǎng)中的諧波成分。采用齒諧波法設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，繞組匝數(shù)和節(jié)距可以靈活選擇，根據(jù)需要具體設(shè)計(jì)。

以本次試驗(yàn)樣機(jī)為例，在齒諧波法的基礎(chǔ)上，提出弓形對(duì)稱(chēng)分布的同心式繞線轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)，如圖1所示。為了最大限度地減小高次諧波磁動(dòng)勢(shì)對(duì)電機(jī)性能的影響，試驗(yàn)樣機(jī)采用了一種最大槽號(hào)組的轉(zhuǎn)子線圈的匝數(shù)，按弓形對(duì)稱(chēng)分布的轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計(jì)方法:一個(gè)同心式線圈組中線圈匝數(shù)由內(nèi)層向外層的變化規(guī)律是線圈匝數(shù)迅速增加，而后逐漸減少。按照這一方法，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整線圈匝數(shù)和線圈跨距即可設(shè)計(jì)出低諧波同心式無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)。不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的無(wú)刷雙饋電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)諧波分析見(jiàn)表1。

圖1 轉(zhuǎn)子繞組36槽4/8級(jí)接線方式

表1 試驗(yàn)樣機(jī)諧波分析

由表1可看出，采用弓形對(duì)稱(chēng)分布的同心式繞線轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計(jì)的BDFM可以非常好的實(shí)現(xiàn)對(duì)功率繞組和控制繞組的耦合，且氣隙磁密諧波含量較低。由于相串聯(lián)的繞線式轉(zhuǎn)子繞組的繞組系數(shù)不因勵(lì)磁磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)的不同而改變。因此，繞線轉(zhuǎn)子BDFM轉(zhuǎn)子采用同心繞線式相串聯(lián)設(shè)計(jì)是一種非常理想的轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計(jì)方法。

2 BDFM的穩(wěn)態(tài)仿真研究

利用Ansoft軟件的場(chǎng)分析和后處理可以得到一系列的電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行曲線。BDFM在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，電機(jī)整體磁密都在較理想的范圍內(nèi)，電機(jī)磁路對(duì)稱(chēng)，沒(méi)有發(fā)生明顯的畸變。圖2給出了電機(jī)整體磁密分布圖，圖3給出了BDFM定子軛部切向和徑向磁密波形。電機(jī)在外加三相電阻負(fù)載阻值為160 Ω的情況下，其功率繞組A相反電勢(shì)波形和電流波形分別如圖4和圖5所示。反電勢(shì)波形和電流波形均為正弦分布，故輸出電能質(zhì)量比較理想。

圖2 控制繞組電流為10 A時(shí)的磁場(chǎng)分布圖

圖3 軛部切向和徑向磁密波形

圖4 功率繞組A相反電勢(shì)波形

圖5 功率繞組A相電流波形

3 樣機(jī)試驗(yàn)分析

3.1 樣機(jī)參數(shù)

樣機(jī)以YZR315電機(jī)為參照，定、轉(zhuǎn)子鐵心均按照無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的要求設(shè)計(jì)。樣機(jī)硅鋼片型號(hào)為ww800。樣機(jī)由專(zhuān)業(yè)電機(jī)廠制造，參數(shù)見(jiàn)表2。無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)矩儀與異步電機(jī)連接。功率繞組出線端與負(fù)載電阻相連接?？刂评@組出線端接在課題組自行研制的雙向變頻器輸出端。變頻器的進(jìn)線端根據(jù)需要可以直接連電網(wǎng)，也可以與功率繞組的出線端相連接。

表2 試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6 無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性

試驗(yàn)中無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)由異步電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速上。待電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量BDFM的運(yùn)行特性。穩(wěn)態(tài)下，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的發(fā)電特性如圖6所示。從試驗(yàn)結(jié)果可得出，由于轉(zhuǎn)子繞組采用了弓形規(guī)律對(duì)稱(chēng)分布，整個(gè)電機(jī)諧波含量很低。因此，在保證電機(jī)磁場(chǎng)不飽和的情況下，功率繞組帶載發(fā)電時(shí)線電壓波形較好，電壓諧波畸變率低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)基于轉(zhuǎn)子繞組呈弓形規(guī)律對(duì)稱(chēng)分布的同心式結(jié)構(gòu)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究。本次試驗(yàn)樣機(jī)轉(zhuǎn)子繞組采用了呈弓形對(duì)稱(chēng)分布的6相繞線式結(jié)構(gòu)，有效減少了電機(jī)的高次諧波分量。試驗(yàn)樣機(jī)的仿真結(jié)果和試驗(yàn)波形較理想地反映了BDFM在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電磁特性，為電機(jī)的進(jìn)一步研究提供了較強(qiáng)的理論依據(jù)。

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