一種基于“極幅調(diào)制”原理的無刷雙饋電機繞線轉(zhuǎn)子排布方法

張經(jīng)緯，王雪帆

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

引言

無刷雙饋電機(Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM)是近年來電機領(lǐng)域研究的一個熱點，它最早由Hunt提出，經(jīng)過 Broadway等人的改進(jìn)，形成了比較經(jīng)典的特殊籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，一直沿用至今[1?2]。上世紀(jì)八十年代中期以來，隨著世界各國對風(fēng)能等綠色能源開發(fā)的日益重視，美國Oregon州立大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、國內(nèi)沈陽工業(yè)大學(xué)等眾多高校和研究機構(gòu)對無刷雙饋電機的運行理論和控制方法等展開了深入的研究，取得了很多理論成果[3?6]，但是由于存在一些轉(zhuǎn)子諧波含量大，電機效率低，體積較大等問題，該電機尚未進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。不過，國內(nèi)外的研究者一致認(rèn)為該電機在變速驅(qū)動(ASD)和變速恒頻發(fā)電(VSG)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

無刷雙饋電機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它的定子上具有極對數(shù)不同的兩套繞組，分別稱為功率繞組和控制繞組，極對數(shù)分別為p1和p2。運行時，功率繞組接工頻電源，控制繞組通過雙向變頻器接到工頻電源。

圖1 無刷雙饋電機的結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)的無刷雙饋電機采用的是類似于圖2所示的特殊籠型轉(zhuǎn)子，它由若干個所謂的“巢”組成，每個“巢”由數(shù)個短路的同心導(dǎo)條構(gòu)成，其“巢”數(shù)等于兩種極對數(shù)之和。特殊籠型轉(zhuǎn)子雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是難以做到對兩種極對數(shù)都有高的繞組系數(shù)，并且諧波含量少。相對而言，繞線轉(zhuǎn)子接線靈活，可以通過不等匝、不等節(jié)距、舍棄槽號等方法來實現(xiàn)對兩種極對數(shù)都有高的繞組系數(shù)而且諧波含量低[7]，因此繞線轉(zhuǎn)子有望取代特殊籠型轉(zhuǎn)子，率先進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。

圖2 72槽8/4極的一種特殊籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（僅用36槽）

根據(jù)無刷雙饋電機的同步運行原理[4]，轉(zhuǎn)子運行時一種頻率的電流能產(chǎn)生兩種反向的旋轉(zhuǎn)磁場，分別與功率繞組和控制繞組耦合，也即要求轉(zhuǎn)子繞組的排布對兩種極對數(shù)相序相反，而且繞組系數(shù)都較高。根據(jù)這一要求，本文提出了一種基于“極幅調(diào)制”原理[8]的繞線轉(zhuǎn)子的排布方法，該方法可以借鑒交流繞組的變極理論，并通過“對稱軸線法”[8]來具體實現(xiàn)，具有概念清晰，簡單靈活的優(yōu)點。文中還給出了一種72槽8/4極的設(shè)計步驟和方案。

1 基于“極幅調(diào)制”原理的設(shè)計方法

（2）將變前極按照60°相帶所劃分的槽號列寫于變后極p1的槽號相位圖下面；

（3）將上述三相槽號在變后極的槽號相位圖上依次取120°的對稱軸，分別標(biāo)注為A、B、C三相，將每相對稱軸的前后兩個半相分別標(biāo)注為 A1、A2、B1、B2、C1、C2；

（4）如果每個半相的相帶比較窄，比如不超過120°，則所得的轉(zhuǎn)子繞組排布方案為 A:A1,?A2；B:B1,?B2；C:C1,?C2。如果每個半相的相帶比較寬，比如超過120°，則利用非正規(guī)繞組排布的普遍方法[9]對A、B、C三相槽號重新調(diào)整，得到新的半相A1′、A2′、B1′、B2′、C1′、C2′，則所得的轉(zhuǎn)子繞組排布方案為 A:A1′，?A2′；B:B1′,?B2′；C:C1′,?C2′；

（5）將所得的繞組方案按照p1和p2重新排布，根據(jù)要求適當(dāng)舍棄一些槽號以增強p2對極的繞組系數(shù)，削弱其他諧波。

值得注意的是，上述第4步和第5步是靈活多變的。第4步能實現(xiàn)變前極p0和變后極p1的相帶均不超過 120°，這能保證整個變極過程存在著較強的調(diào)制作用，但變極后p2的繞組系數(shù)往往不是很高。第5步是為了進(jìn)一步提高p2的繞組系數(shù)而進(jìn)行調(diào)整。

2 72槽8/4極的設(shè)計方案

按照上述結(jié)論，選擇變前極p0=1，變后極p1=4，將變前極按照 60°相帶所劃分的槽號列寫于變后極的槽號相位圖下面，如圖3所示。將三相槽號按照互差120°依次取三根對稱軸，將三相槽號劃分為A1、A2 B1、B2、C1、C2六個半相。從圖中可見任一個半相都分布在180°的區(qū)間上。為了提高反向法變極以后p1的繞組系數(shù)，按照文獻(xiàn)[9]提供的方法對三相槽號進(jìn)行調(diào)整，得到新的半相劃分：

A1′:1 2 3 4 5 6 19 20 21 ?46 ?47 ?48

A2′:10 11 12 ?40 ?41 ?42 ?55 ?56 ?57 ?37 ?38?39

B1′:25 26 27 28 29 30 43 44 45 ?70 ?71 ?72

B2′:34 35 36 ?64 ?65 ?66 ?7 ?8 ?9 ?61 ?62 ?63

C1′:49 50 51 52 53 54 67 68 69 ?22 ?23 ?24

C2′:58 59 60 ?16 ?17 ?18 ?31 ?32 ?33 ?13 ?14?15

上述劃分可以保證每一個半相對變前極和變后極的相帶均不超過120°，這樣即使在第5步中舍棄部分槽號也能保證對變后極其分布系數(shù)大于 0.83。根據(jù)以上的相帶劃分，繞線轉(zhuǎn)子的排布方案初選為：A:A1′，?A2′；B:B1′，?B2′；C:C1′，?C2′。該方案的諧波分析結(jié)果見表1中的方案1，其中kq和kw分別表示分布系數(shù)和繞組系數(shù)（以8極為基波，節(jié)距取為10）?？梢?極的分布系數(shù)較低，為了提高4極的分布系數(shù)，需要舍棄部分槽號?，F(xiàn)將初選方案的槽號列寫于4極的槽號相位圖下，如圖4所示。舍棄不同的槽號可以得到多種不同的方案，部分方案的諧波分析結(jié)果見表1，其中僅列出了所有磁動勢百分比大于 5%的諧波，“+”表示正轉(zhuǎn)，“?”表示反轉(zhuǎn)。

圖3 2極按60°相帶所劃分的槽號在8極下的槽號相位圖

圖4 初選方案在4極下的槽號相位圖

對比表1可見，從減小諧波和提高空間利用率的角度，方案3是個比較合理的方案，已經(jīng)具有一定的實用價值。其繞組排布方案如圖5所示。作為對比，如果采用如圖2所示的特殊籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在只使用36個槽的情況下，特殊籠型轉(zhuǎn)子的諧波分析結(jié)果見表1的方案5，與方案3比起來，雖然8極的繞組系數(shù)較高，但是諧波含量很大，此外空間利用率也不及方案3，因此方案3更具有優(yōu)勢。

圖5 方案3的接線圖

表1 部分方案和其諧波分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出了一種基于“極幅調(diào)制”原理的無刷雙饋電機繞線轉(zhuǎn)子排布方法，該方法可以通過交流繞組變極理論中的“對稱軸線法”來具體實現(xiàn)，具有概念清晰，操作性強的特點。此外，雖然設(shè)計的基本步驟相同，但是不同的取舍標(biāo)準(zhǔn)可以得到不同的方案，需要反復(fù)取舍和對比才能得到比較優(yōu)化的方案。該方法也有其局限性，首先該方法設(shè)計的繞組方案仍然基于正規(guī)的Y或者Δ接法，從原理上說，仍然是保留兩種極對數(shù)下感應(yīng)電勢同相的槽號，去掉反向的槽號，因此對于某些極對數(shù)的配合，比如極對數(shù)之比為2：1的情況，難以做到對兩種極對數(shù)的繞組系數(shù)都很高，必須舍棄部分槽號，造成空間利用率降低。其次如果p1和p2之和不是偶數(shù)，那么無法選擇基波p0和調(diào)制波pm，該方法即失效。雖然如此，在大多數(shù)情況下，這一方法仍然能為無刷雙饋電機的繞線轉(zhuǎn)子設(shè)計提供指導(dǎo)意義。

[1]Hunt L J.A new type of induction motor[J].Journal IEE(London), 1907, 39: 648-667.

[2]Broadway A R, and Burbidge L.Self-cascaded machine: a low speed motor or high frequency brushless alternator[J].Proc.IEE(London), 1970,117(4): 1277-1290.

[3]Wallace A K，Spee R, Alexander C G.The brushless doubly-fed machine: the advantage, application and design methods[C].Sixth Inter- national Conference on Electrical Machines and Drive, Oxford, England,1993.

[4]Li R, Spee R, Wallace A K, Alexander G C.Synchronous drive performance of brushless doubly- fed motors[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1994, 30(4): 963-970.

[5]Roberts P C, McMahon R A, Tavner P J, et al.Equivalent circuit for the brushless doubly fed machine(BDFM)including parameter estimation and experimental verification[J]. IEE Proceedings-Electric Power Applications, 2005,152(4): 933-942.

[6]張鳳閣, 王鳳翔, 王正.不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機穩(wěn)定運行特性的對比研究實驗[J].中國電機工程學(xué)報, 2002, 22(4): 52-55.

[7]王雪帆.一種轉(zhuǎn)子繞組采用變極法設(shè)計的新型無刷雙饋電機[J].中國電機工程學(xué)報, 2003, 23(6):108-127.

[8]許實章.交流電機的繞組理論[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1985.

[9]王雪帆, 許實章.變后極為 3倍數(shù)時的反向法變極非正規(guī)繞組的排列[J].中國電機工程學(xué)報,1989, 9(4): 66-72.