繞線型無刷雙饋電機的繞組設計*＊

宋運雄，彭曉，劉萬太

(1 湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412008;2 湖南工程學院電氣與信息工程學院，湖南湘潭411101;3 湖南電氣職業技術學院電氣工程系，湖南湘潭411100)

0 引言

無刷雙饋電機(Brushless Doubly-fed Machines簡稱BDFM)是在自級聯異步電機的基礎上發展起來的一種異同步通用的新型交流調速電機，其定子上有兩套極對數不同的功率繞組和控制繞組，它取消了電刷和滑環，通過轉子的磁動勢諧波對定子不同極對數的旋轉磁場進行調制，進而實現電機的機電能量轉換。當功率繞組和控制繞組同時供電時，定子繞組中將產生兩個獨立的不同極對數的旋轉磁場，為使兩個電源互不干擾，功率繞組pp對極旋轉磁場在定子繞組中產生的感應電勢，應在控制繞組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對極旋轉磁場在定子繞組中產生的感應電勢，也應在功率繞組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速的目的。繞線轉子結構的無刷雙饋電機接線靈活，可以通過合理的設計來提高兩種基波極對數的繞組系數，同時削弱甚至消除其他諧波，從而克服了特殊籠型轉子的固有缺點，并可望獲得更好的性能。本文對繞線轉子結構的無刷雙饋電機的定子繞組和轉子繞組的設計理論進行了論述，并結合實例給出定子繞組和轉子繞組具體不同的設計方案，并對方案進行了具體的環流分析和驗證。

1 定子雙套繞組的設計

1.1 繞組方案的確定

定子雙套繞組設計步驟如下

(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的槽號相位圖下面，并分析繞組的環流情況及互感產生情況，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。控制繞組采用的是正規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 繞組環流及互感產生情況分析

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生。

圖3 定子繞組環流及互感產生情況分析圖

2 轉子單套繞組的設計

2.1 轉子單套繞組設計步驟

變極法的原理主要是利用級聯式無刷雙饋電機轉子兩套繞組反相序串級聯接的思想，它是將單繞組變極理論引入到轉子繞組設計中，構成一個多相自閉合多支路回路的對稱繞組結構，使得同一套繞組對兩種極對數既能感應電勢產生電流，又能作為對方的激磁源，這樣便可強制產生兩種不同極對數的旋轉磁場。這里采用自并聯法，所謂自并聯法，就是將生成的2pp對極磁場的每相繞組用三條并聯支路來構成，并從每相繞組中選取一條支路并聯構成2pc對極磁場的一相繞組，這種接法屬于多路并聯，為了保證線圈間不產生環流，并聯支路的選取要盡量保證使生成的磁場每相繞組產生的磁勢幅值相等，相位差120°。同時，調整若干線圈的匝數，構成不等匝線圈，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，分布因數也符合設計要求。具體設計步驟如下:(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)調整各線圈組中的線圈匝數比，使并聯各支路的電勢同相位同大小。

2.2 轉子單套繞組設計實例

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，故對應每相每種極數下應有三條并聯支路，也就是說要把圖中取出的區域相位圖再劃分為三塊，以分別構成相應的三條支路。并且對此區域相位圖進行劃分和選取所對應的槽號時，應盡量滿足下面幾條原則，以保證兩種極對數下的方案均具有較高的分布因數:(1)劃分后的三條支路的槽號分布對4p 應滿足同相位同大小的原則，以消除3Y 并聯時的環流，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均呈現相對集中的分布，以獲得較高的分布系數。

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，對應于4p 便為60°相帶，對應于6p 便為120°相帶，這樣劃分后的三塊分別構成了三條支路。此時三條支路對應于6p下的槽號分布情況均為(1，1，1，1)，括號里的數字表示處于6p 下同一電角度相位的槽號個數，它對單層繞組是線圈邊數，對雙層繞組是線圈個數，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加倍時，即可剛好滿足前述的幾條要求。這時對應于4p 下每條支路中各槽號的等效分布為(2，2，2)，這里括號內的數字對應著4p 下同一電角度相位下得總匝數的相對數，且三條支路的分布是完全相同的;對應于6p 下的等效槽號分布均為(1，2，2，1)，也即滿足對6p 應為三相對稱平衡的原則。分析表明，當選取節距為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，其基波分布因數為(1+2cos20°)/3=0.96，6p 為120°相帶，其基波分布因數為(2cos15°+cos45°)/3=0.88。

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

圖6 36 槽6/4 極3Y/3Y 接法的繞組接線圖

3 轉子雙套繞組的設計

3.1 繞組方案的確定

對于轉子雙套繞組的設計，具體步驟與定子雙套繞組的設計思路是一樣的，下面以36 槽6/2 極為例來說明。根據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 繞組的環流及互感產生情況分析

轉子功率繞組A 相相屬在轉子控制繞組下的分布情況如圖8(a)所示。設此時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，也即轉子功率繞組對轉子控制繞組沒有互感產生。

圖8 轉子繞組的環流及互感產生情況分析

轉子控制繞組A 相相屬在轉子功率繞組下的分布情況如圖8(b)所示。設此時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，也即轉子控制繞組對轉子功率繞組同樣沒有互感產生。另外對于這種轉子采用雙套繞線的BDFM 來說，除了要考慮定子兩套繞組之間、轉子兩套繞組之間彼此獨立外，定子對應繞組對轉子異極繞組或者轉子對應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 結語

繞組設計是無刷雙饋電機設計的關鍵，本文介紹了繞線型無刷雙饋電機的設計思路和方法，并經過比較，從中選擇了最優方案。用這種思路設計的繞組方案，不會在并聯支路中產生環流，不會在對方繞組中產生互感電勢，這樣就禁止了功率繞組和控制繞組直接的電功率傳遞，從而提高了轉子對應繞組的極數轉換器作用，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，在實際應用中到底選用何種方案，需根據工廠工藝等實際情況加以分析比較后做出正確的選擇。

［1］ Wallace A.K，Spee R，Alexander G.C.The brushless doubly-fed machine:Its Advantages，applications and design methods［J］.Electrical Machines and Drives Conference，1993，376:511-517.

［2］ 許實章.交流電機的繞組理論［M］.北京:機械工業出版社，1985.

［3］ 彭曉，石安樂，李永堅.無刷雙饋電機定子繞組的設計［J］.電機與控制學報，2003.

［4］ 熊飛，王雪帆，張經緯.繞線轉子無刷雙饋電機的工作原理及繞組設計［J］.湖北工業大學學報，2010(25).

［5］ 鄧先明.無刷雙饋電機的電磁分析與設計應用［M］.北京:機械工業出版社，2009:103-135.