基于轉子繞組呈弓形規律對稱分布同心式結構的無刷雙饋發電機的設計與研究*

夏 冰，陳 鵬，李浩源，劉 沁

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥 230009)

0 引言

無刷雙饋電機(Brushless Doubly-Fed Motor，BDFM)起源于串級連接繞線轉子三相交流感應電機。這種電機是兩個獨立的定子和同軸的兩個轉子經過適當的連接改進，取消了電刷和滑環結構，并且有良好的低速運行和起動性能，是近幾年國內外發展較為迅猛的一種新型交流感應電機。目前其研究主要集中在風力發電、水力發電和高壓調速方面。在前人研究的基礎上，本文對轉子繞組采用弓形規律對稱分布的無刷雙饋發電機進行研究。該轉子結構是一種基于磁動勢式的繞線式轉子繞組結構，繞組節距可以根據需要自由選擇，且兼顧兩種極對數，具有接線方式靈活多樣，繞組系數高，諧波含量低等特點。以一臺4/2對極2 kW軸無刷雙饋發電機為例說明。

1 BDFM的結構

1.1 定子結構

BDFM的定子結構與普通異步電機的定子結構基本相同，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構。定子繞組在設計時應保證兩套繞組中的電流在對方繞組出線端端口的合成電動勢為零。用單繞組設計時，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得到較高的繞組系數。采用雙繞組結構設計時，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立進行設計，兩套繞組容易得到理想的繞組系數。

1.2 轉子結構

BDFM的轉子繞組結構通常采用磁阻式或繞線式。磁阻式BDFM主要是利用電機力圖使磁路磁導最大的調制效應進行設計。磁阻式設計的BDFM的容量很難提高，所以限制了BDFM在大規模風力發電、船用軸帶發電等大功率場合的應用。基于變極法或齒諧波法設計的繞線式轉子結構的BDFM不僅設計靈活，而且有效降低了磁場中的諧波成分。采用齒諧波法設計電機時，轉子結構簡單，繞組匝數和節距可以靈活選擇，根據需要具體設計。

以本次試驗樣機為例，在齒諧波法的基礎上，提出弓形對稱分布的同心式繞線轉子繞組結構，如圖1所示。為了最大限度地減小高次諧波磁動勢對電機性能的影響，試驗樣機采用了一種最大槽號組的轉子線圈的匝數，按弓形對稱分布的轉子繞組設計方法:一個同心式線圈組中線圈匝數由內層向外層的變化規律是線圈匝數迅速增加，而后逐漸減少。按照這一方法，通過適當的調整線圈匝數和線圈跨距即可設計出低諧波同心式無刷雙饋發電機。不同轉子結構設計的無刷雙饋電機磁動勢諧波分析見表1。

圖1 轉子繞組36槽4/8級接線方式

表1 試驗樣機諧波分析

由表1可看出，采用弓形對稱分布的同心式繞線轉子繞組設計的BDFM可以非常好的實現對功率繞組和控制繞組的耦合，且氣隙磁密諧波含量較低。由于相串聯的繞線式轉子繞組的繞組系數不因勵磁磁場極對數的不同而改變。因此，繞線轉子BDFM轉子采用同心繞線式相串聯設計是一種非常理想的轉子繞組設計方法。

2 BDFM的穩態仿真研究

利用Ansoft軟件的場分析和后處理可以得到一系列的電機穩態運行曲線。BDFM在穩態運行條件下，電機整體磁密都在較理想的范圍內，電機磁路對稱，沒有發生明顯的畸變。圖2給出了電機整體磁密分布圖，圖3給出了BDFM定子軛部切向和徑向磁密波形。電機在外加三相電阻負載阻值為160 Ω的情況下，其功率繞組A相反電勢波形和電流波形分別如圖4和圖5所示。反電勢波形和電流波形均為正弦分布，故輸出電能質量比較理想。

圖2 控制繞組電流為10 A時的磁場分布圖

圖3 軛部切向和徑向磁密波形

圖4 功率繞組A相反電勢波形

圖5 功率繞組A相電流波形

3 樣機試驗分析

3.1 樣機參數

樣機以YZR315電機為參照，定、轉子鐵心均按照無刷雙饋發電機的要求設計。樣機硅鋼片型號為ww800。樣機由專業電機廠制造，參數見表2。無刷雙饋發電機通過轉矩儀與異步電機連接。功率繞組出線端與負載電阻相連接。控制繞組出線端接在課題組自行研制的雙向變頻器輸出端。變頻器的進線端根據需要可以直接連電網，也可以與功率繞組的出線端相連接。

表2 試驗樣機參數

3.2 試驗結果分析

圖6 無刷雙饋發電機運行特性

試驗中無刷雙饋發電機由異步電機帶動運行在額定轉速上。待電機運行穩定時，測量BDFM的運行特性。穩態下，無刷雙饋發電機的發電特性如圖6所示。從試驗結果可得出，由于轉子繞組采用了弓形規律對稱分布，整個電機諧波含量很低。因此，在保證電機磁場不飽和的情況下，功率繞組帶載發電時線電壓波形較好，電壓諧波畸變率低。

4 結語

本文主要對基于轉子繞組呈弓形規律對稱分布的同心式結構無刷雙饋發電機進行了詳細分析和研究。本次試驗樣機轉子繞組采用了呈弓形對稱分布的6相繞線式結構，有效減少了電機的高次諧波分量。試驗樣機的仿真結果和試驗波形較理想地反映了BDFM在穩態運行時的電磁特性，為電機的進一步研究提供了較強的理論依據。

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