無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)諧波分析研究

1、目 錄摘 要 Abstract主要符號(hào)表第1章 無(wú)刷雙饋電機(jī)研究的背景和意義11.1緒論11.2 無(wú)刷雙饋電機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀11.3 無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究意義5第2章 無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的原理92.1 定子繞組的結(jié)構(gòu)92.2 轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)102.3 籠型轉(zhuǎn)子的“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”的作用122.4 繞線型轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)13第3章 建立籠型轉(zhuǎn)子繞組諧波磁勢(shì)計(jì)算模型173.1“安導(dǎo)波”的概念及其與磁勢(shì)的關(guān)系173.2 單根導(dǎo)體的磁勢(shì)計(jì)算183.3 單個(gè)線圈的磁勢(shì)計(jì)算203.4 線圈組的磁勢(shì)計(jì)算223.5 相繞組的磁勢(shì)計(jì)算233.6 整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組各次諧波的磁勢(shì)計(jì)算24第4章 用MATLAB編寫諧波磁勢(shì)的

2、通用計(jì)算程序264.1 MATLAB簡(jiǎn)介及其發(fā)展歷史264.2 用MATLAB語(yǔ)言對(duì)轉(zhuǎn)子諧波磁勢(shì)進(jìn)行編程274.2.1 磁勢(shì)計(jì)算的流程圖274.2.2 對(duì)磁勢(shì)計(jì)算進(jìn)行編程274.2.3 程序的運(yùn)行31第5章 極對(duì)數(shù)的功率繞組在轉(zhuǎn)子中建立的轉(zhuǎn)子諧波磁勢(shì)的分析研究325.1 轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)的選取325.2 程序的運(yùn)行以及計(jì)算結(jié)果325.3 結(jié)果分析40第6章 極對(duì)數(shù)的控制繞組在轉(zhuǎn)子中建立的轉(zhuǎn)子諧波磁勢(shì)的分析研究426.1 轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)的選取426.2 程序的運(yùn)行以及計(jì)算結(jié)果426.3 結(jié)果分析51第7章 變轉(zhuǎn)子每相線圈數(shù)后轉(zhuǎn)子諧波磁勢(shì)的分析研究527.1 變功率繞組中轉(zhuǎn)子每相線圈數(shù)后轉(zhuǎn)子諧波磁勢(shì)的分

3、析研究527.1.1 轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)的選取577.1.2 程序的運(yùn)行以及計(jì)算結(jié)果527.1.3 結(jié)果分析617.2 變控制繞組中轉(zhuǎn)子每相線圈數(shù)后轉(zhuǎn)子諧波磁勢(shì)的分析研究617.2.1 轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)的選取617.2.2 程序的運(yùn)行以及計(jì)算結(jié)果617.2.3 結(jié)果分析70結(jié)束語(yǔ)71參考文獻(xiàn)72致 謝73無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)諧波分析研究摘 要 無(wú)刷雙饋電機(jī)作為一種兼有籠型、繞線型異步電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的新型電機(jī)，在電機(jī)變頻調(diào)速和變速恒頻發(fā)電領(lǐng)域中越來(lái)越受到重視。本文提出了用MATLAB語(yǔ)言編寫無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)諧波的計(jì)算程序，并且使程序具有一定的通用性。文章的前兩章是介紹無(wú)刷雙饋電機(jī)研究的背

4、景和意義與無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的原理；然后建立籠型轉(zhuǎn)子繞組的諧波磁勢(shì)數(shù)學(xué)模型，并且用MATLAB編寫計(jì)算程序；最后分別對(duì)極對(duì)數(shù)為的功率繞組和的控制繞組在轉(zhuǎn)子中建立的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)諧波進(jìn)行分析研究。關(guān)鍵詞 無(wú)刷雙饋電機(jī) 轉(zhuǎn)子繞組 磁動(dòng)勢(shì)諧波 分析研究Rotor MMF Harmonic Analysis of Brushless Doubly-FED MachineAbstract:As a new type of electrical machine,combined the merits of the asynchronous motor with the squirrel-cage rotor

5、 with and wound-rotor and the electro-excited synchronous motor,the brushless doubly-fed machine(BDFM)has been attracted more and more attention in the field of variable-frequency adjustable-speed motor and variable-speed constant frequency generating.This text brings forward using MATLAB language t

6、o compile the account proceeding of the rotor MMF harmonic of the BDFM,and this proceeding had a certainty currency character.The front of tow chapters of the article are introducing the background and significance of the BDFM researching and the theory of the rotor winding of the BDFM ;then the art

7、icle would establish the harmonic magnetic force mathematical model of the squirrel-cage rotor,also use MATLAB compile the account proceeding;finally the aticale would separate to analysis The Rotor MMF Harmonic of the and the .Keywords:BDFM,Rotor Winding,MMF Harmonic,analysis主 要 符 號(hào) 表安導(dǎo)強(qiáng)度安導(dǎo)波單個(gè)線圈的安導(dǎo)

8、波單根導(dǎo)體的安導(dǎo)波電角度磁勢(shì)波單個(gè)線圈的磁式波單個(gè)線圈的次諧波磁勢(shì)的幅值相繞組的磁勢(shì)幅值線圈組的次諧波磁勢(shì)的幅值單根導(dǎo)體的磁勢(shì)波相繞組的磁勢(shì)波無(wú)刷雙饋電機(jī)的定子頻率導(dǎo)體電流的瞬時(shí)值每相電流的有效值導(dǎo)體電流的有效值次諧波的分布系數(shù)次諧波的繞組系數(shù)次諧波的短距系數(shù)對(duì)對(duì)極諧波說(shuō)的線圈短距系數(shù)對(duì)極諧波的槽口系數(shù)氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步速，轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)單個(gè)線圈的匝數(shù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速輸入功率滑差功率機(jī)械功率輸出功率基波極對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)線圈組串聯(lián)的線圈數(shù)，每極每相槽數(shù)滑差諧波對(duì)基波的次數(shù)諧波極對(duì)數(shù)每相每條并聯(lián)支路的串聯(lián)匝數(shù)機(jī)械弧度每相并聯(lián)支路的條數(shù)電流的角頻率電源的角頻率共軸轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度槽口寬度第一章 無(wú)刷雙饋電機(jī)研

9、究的背景和意義1.1 緒論無(wú)刷雙饋調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)、異步、同步、雙饋等多種運(yùn)行方式，即具有異步電機(jī)和同步電機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn)，在用作變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)還可以大大降低變頻器的容量。在風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)及變速恒頻的水力和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。研究無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)無(wú)論是在理論或是實(shí)際應(yīng)用方面都有著很大意義，而目前所研究的無(wú)刷雙饋電機(jī)性能還達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用要求，有些學(xué)者認(rèn)為，其關(guān)鍵原因在于還沒(méi)有找到一個(gè)合適的轉(zhuǎn)子繞組形式。目前研究采用的磁組轉(zhuǎn)子和特殊籠形轉(zhuǎn)子這兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式中籠形轉(zhuǎn)子被認(rèn)為是最可能應(yīng)用于大容量電機(jī)，但是，現(xiàn)有的特殊籠形轉(zhuǎn)子繞組是“共軛”原理

10、設(shè)計(jì)的，也即對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)所要求的轉(zhuǎn)子兩種極數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)保留兩種極數(shù)下感應(yīng)電機(jī)均同相的籠條導(dǎo)體，去掉不同相的籠條導(dǎo)體，而這樣必然會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子導(dǎo)體利用率低，諧波含量大，造成電機(jī)效率及過(guò)載能力較低的結(jié)果。由于認(rèn)為目前制約無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的瓶頸在于轉(zhuǎn)子繞組的性能，為解決這個(gè)問(wèn)題，有學(xué)者提出采用根據(jù)“變極”原理設(shè)計(jì)的特殊繞線轉(zhuǎn)子繞組。鑒于以上的研究情況，本文將設(shè)計(jì)一籠型和繞線型方案，用Matlab建立籠型轉(zhuǎn)子繞組諧波磁勢(shì)分析的計(jì)算模型，針對(duì)所設(shè)計(jì)的繞組方案，分別得出結(jié)果，并且分別改變轉(zhuǎn)子線圈數(shù)，從而證明增加轉(zhuǎn)子線圈數(shù)可以優(yōu)化轉(zhuǎn)子繞組的磁勢(shì)。1.2 無(wú)刷雙饋電機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀近10年來(lái)，隨

11、著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史性的變革，以變頻調(diào)速為代表的交流電氣傳動(dòng)以其優(yōu)異的性能、如調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快與四象限運(yùn)行等，在石油、化工、機(jī)械、冶金等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其對(duì)于大功率的風(fēng)機(jī)或泵類負(fù)載，采用交流電機(jī)變頻調(diào)速可節(jié)電2030%，具有顯著的節(jié)能效果。交流調(diào)速全面取代直流調(diào)速已成為發(fā)展趨勢(shì)。歸納起來(lái)，現(xiàn)代交流調(diào)速按交流電機(jī)類型劃分有：（1） 同步電機(jī)這是一種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)等于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步速的電機(jī)，即通常僅有改變定子供電頻率的變頻調(diào)速，有稱為無(wú)換向器電機(jī)。根據(jù)頻率控制信號(hào)的來(lái)源，同步電機(jī)調(diào)速又可分為：1. 它控式同

12、步電機(jī)變頻調(diào)速：頻率有外界控制，有失步問(wèn)題；2. 自控式同步電機(jī)變頻調(diào)速：頻率由電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)控制，無(wú)失步問(wèn)題。（2） 異步電機(jī)這是一種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)不等于同步速、中間存在滑差以使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生切割關(guān)系，感應(yīng)電流而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的交流電機(jī)，轉(zhuǎn)速滿足。調(diào)速時(shí)可調(diào)節(jié)較多，方法總的可分為：1. 變同步速調(diào)速具體方法有：A. 變頻調(diào)速：改變定子供電頻率實(shí)現(xiàn)同步速變化，適合任何類型異步電機(jī)。B. 變極調(diào)速：由于要求定、轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)同時(shí)變化，僅適合鼠籠式異步電機(jī)。2. 變滑差s調(diào)速實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)子內(nèi)滑差功率的調(diào)速方法。根據(jù)引起滑差功率消耗的具體方法不同，又可細(xì)分為：A. 調(diào)壓調(diào)速：通過(guò)改變定子電壓的幅值（不改變頻率

13、）使電磁轉(zhuǎn)矩變化，從而變化滑差。要求采用高轉(zhuǎn)子電阻電機(jī)以限制滑差功率消耗產(chǎn)生的發(fā)熱，適合于鼠籠式及繞線式異步電機(jī)。B. 繞線式異步電機(jī)特有調(diào)速a) 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速：改變轉(zhuǎn)子電阻機(jī)械特性硬度，實(shí)現(xiàn)滑差的變化，但因滑差功率的不可逆消耗而耗能。采用電力電子技術(shù)時(shí)可演變?yōu)檗D(zhuǎn)子串電阻斬波調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速過(guò)程電子控制。b) 串極調(diào)速：定子接固定頻率電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接滑差頻率反電勢(shì)以吸收或補(bǔ)充滑差功率，從而實(shí)現(xiàn)變滑差調(diào)速（一般低于同步速）。c) 雙饋調(diào)速：定子接固定頻率電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接變頻電源，改變頻率電源的頻率、相序可實(shí)現(xiàn)同步速上、下的高速調(diào)速，并可實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功控制。近年來(lái)還出現(xiàn)了不少電機(jī)本體與控制裝置緊密結(jié)合的

14、調(diào)速電機(jī)，如開關(guān)磁組電機(jī)、永磁無(wú)刷直流電機(jī)，它們的共同特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體變流裝置與電機(jī)本體一體化，是一類新型調(diào)速電機(jī)。在所有這些交流電機(jī)的調(diào)速傳動(dòng)方式中，交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，個(gè)具特色，同時(shí)也與外部控制電路的連接，可與定子繞組一起實(shí)現(xiàn)雙重饋電，能滿足大容量、高電壓、高轉(zhuǎn)速的性能要求，并具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定（同步速）、功率因數(shù)可調(diào)、效率高等方面的優(yōu)點(diǎn)。然而由于滑環(huán)與電刷須經(jīng)常維護(hù)，降低了電機(jī)的可靠性，同時(shí)滑動(dòng)接觸易產(chǎn)生火花，限制了其使用場(chǎng)合。鼠籠式異步電機(jī)（包括開關(guān)磁組電機(jī)）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)接觸，運(yùn)行可靠、無(wú)需維護(hù)，但由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子需從定子側(cè)獲取勵(lì)磁，功率因數(shù)較低，由于變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)差的存在使轉(zhuǎn)

15、速與負(fù)載直接相關(guān)，為了得到精確的調(diào)速，還需要加上復(fù)雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，鼠籠式異步電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)變頻器設(shè)置在定子側(cè)，通過(guò)全部功率時(shí)所需的變頻器容量大于電機(jī)的額定功率，是整個(gè)系統(tǒng)的成本較高。繞線式異步電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)雙饋運(yùn)行，速度、功率因數(shù)同時(shí)可調(diào)：變流裝置只需處理滑差功率，因此，變頻器容量比電機(jī)小，降低了系統(tǒng)成本，但也存在電刷和滑環(huán)帶來(lái)的弊病。所以，雖然目前交流調(diào)速技術(shù)在不斷改進(jìn)，但是電機(jī)本身所固有的缺陷并未得到克服。如何使交流電機(jī)無(wú)刷化并具備雙饋運(yùn)行功能，使交流傳動(dòng)系統(tǒng)具有高效率、高功率因數(shù)、高可靠性、低成本已成為電機(jī)制造工業(yè)和交流傳動(dòng)系統(tǒng)亟待解決的一項(xiàng)技術(shù)難題。近年來(lái)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)

16、外許多學(xué)者都將目光投向無(wú)刷雙饋，不僅具有簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而且具有具有繞線式轉(zhuǎn)子異步電機(jī)和同步電機(jī)的優(yōu)良特性，既可作為交流調(diào)速電機(jī)，又可作為變頻調(diào)速發(fā)電機(jī)。因此作為一種性能優(yōu)良的新型電機(jī)，越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。無(wú)刷雙饋電機(jī)是從串極感應(yīng)電機(jī)發(fā)展而來(lái)的，它繼承了串極電機(jī)的一些特性。在串極感應(yīng)電機(jī)中，兩臺(tái)繞線式異步電機(jī)機(jī)械上同軸聯(lián)接、轉(zhuǎn)子繞組直接按正或反相序相連，其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1 兩臺(tái)感應(yīng)電機(jī)的串極連接串極系統(tǒng)中，若、分別為兩臺(tái)電機(jī)的極對(duì)數(shù)，為共軸轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，為電源的角頻率，則在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，其中+、號(hào)分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子反、正相序連接。假定第一臺(tái)電機(jī)的輸入功率為

17、，若在某一轉(zhuǎn)速時(shí)兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率分別為、，那么第一臺(tái)電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率為：若忽略電機(jī)損耗， 則就成為第一臺(tái)電機(jī)通過(guò)氣隙傳給第二臺(tái)電機(jī)的電功率。這樣第二臺(tái)電機(jī)軸上產(chǎn)生的機(jī)械功率為：在兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組反相序連接的條件下，整個(gè)機(jī)組的輸出功率為：試中：為第二臺(tái)電機(jī)定子外接電阻上消耗的電功率。 從串極電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程來(lái)看，如果改變第二臺(tái)電機(jī)外接電阻的阻值，消耗在其上的滑差功率就會(huì)發(fā)生變化。在一定的前提下，機(jī)組的轉(zhuǎn)差率將發(fā)生變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生改變。由于電機(jī)采用這種串極方法時(shí)可以取消滑環(huán)和電刷，并在一定范圍內(nèi)調(diào)速，人們?cè)?jīng)將兩臺(tái)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子安裝在同一機(jī)座內(nèi)，使串極電機(jī)從外觀上看是一臺(tái)電機(jī)從而減小機(jī)組的體積

18、和提高運(yùn)行性能，以Hunt和Creedy為代表的研究者將兩個(gè)轉(zhuǎn)子合二為一構(gòu)成一個(gè)公用轉(zhuǎn)子，并采用了較以往電機(jī)更為先進(jìn)可行的理論對(duì)定子繞組進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使之具有一套轉(zhuǎn)子繞組、一套能產(chǎn)生不同極數(shù)的定子繞組，且具有一個(gè)共同的磁路的單一機(jī)組，這就是無(wú)刷雙饋電機(jī)的原型。但由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)調(diào)節(jié)限制，該電機(jī)未能投入實(shí)用研究。 進(jìn)入70年代后，交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)得到了較快的發(fā)展，在各行業(yè)發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。但隨之而來(lái)的變頻器的高成本、諧波污染等問(wèn)題也受到了關(guān)注。研究者發(fā)現(xiàn)在串極電機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化，第二臺(tái)電機(jī)的定子電流頻率也會(huì)隨之改變。反之，如果改變第二臺(tái)電機(jī)定子繞組的電流頻率，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也

19、將發(fā)生變化，且由于通過(guò)第二臺(tái)電機(jī)定子繞組的是轉(zhuǎn)差功率，功率大小與調(diào)速范圍直接相關(guān)。在電機(jī)調(diào)速范圍不大的情況下，該功率遠(yuǎn)小于由第一臺(tái)電機(jī)的定子繞組輸入的功率。這樣，將變頻器代替第二臺(tái)電機(jī)定子所接的電阻，就可采用較小容量的變頻器來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，在70年代后期，單一機(jī)組串極電機(jī)的研究又吸引了很多研究者的注意。對(duì)于電機(jī)本體，以Braodway為代表的研究者們?cè)贖unt發(fā)明的電機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大改進(jìn)。他們?cè)跐M足無(wú)刷雙饋電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)要求的前提下，將相調(diào)制理論應(yīng)用到極變換繞組，使定轉(zhuǎn)子繞組極數(shù)配合的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，并通過(guò)對(duì)普通雙層繞組的適當(dāng)連接獲得了兩種極對(duì)數(shù)磁場(chǎng)，簡(jiǎn)化了定子繞組。轉(zhuǎn)子采用了類

20、鼠籠式結(jié)構(gòu)，這些成果將自串極無(wú)刷異步電機(jī)理論向前推進(jìn)了一步，得到了目前被稱為無(wú)刷雙饋電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)形式（如圖1.2所示）。其中在氣隙中產(chǎn)生極對(duì)數(shù)磁場(chǎng)的繞組連接稱為功率繞組，在氣隙中產(chǎn)生極對(duì)數(shù)磁場(chǎng)的繞組連接稱為控制繞組。八十年代后，雙勵(lì)磁磁組式電機(jī)成為無(wú)刷雙饋電機(jī)研究的又一個(gè)新分支。隨著新型電力電子器件和微處理器的飛速發(fā)展，各種交流電機(jī)的控制策略如標(biāo)量控制、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模型參數(shù)自適應(yīng)控制等也都開始應(yīng)用于無(wú)刷雙饋電機(jī)，這一切使無(wú)刷雙饋電機(jī)及其系統(tǒng)的研究呈現(xiàn)出了新的熱潮，促使無(wú)刷雙饋電機(jī)從實(shí)驗(yàn)室研究階段邁向?qū)嵱没瘧?yīng)用階段。1.3 無(wú)刷雙饋電機(jī)的研究意義無(wú)刷雙饋電機(jī)是一種新型的，同

21、時(shí)具有同步電機(jī)和異步電機(jī)特點(diǎn)的交流調(diào)速電機(jī)，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原來(lái)與傳統(tǒng)的交流電機(jī)有較大的差別，無(wú)刷雙饋電機(jī)的定子上具有兩套極數(shù)不同的對(duì)稱三相繞組，分別稱為功率繞組和控制繞組，轉(zhuǎn)子采用籠型或磁組型的結(jié)構(gòu)，取消了電刷和滑環(huán)。通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢(shì)諧波或磁導(dǎo)諧波對(duì)定子不同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。如果改變控制繞組的連接方式及其外加電源的頻率、幅值和相位可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷雙饋電機(jī)的多種運(yùn)行方式。無(wú)刷雙饋電機(jī)是在上世紀(jì)初Hunt提出的自級(jí)聯(lián)感應(yīng)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，一些學(xué)者對(duì)該類電機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究和完善，至上世紀(jì)80年代末90年代初發(fā)展成為無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)。無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)與轉(zhuǎn)子

22、接串調(diào)或雙饋裝置的繞組電機(jī)相似，可以用較小容量的變頻器對(duì)較大功率的電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，特別適合于大功率的風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的調(diào)速，是一種很有希望的中壓節(jié)能調(diào)速方案。無(wú)刷雙饋電機(jī)不但和籠型轉(zhuǎn)子或磁組型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)一樣，取消了電刷和滑環(huán)，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，減小了維護(hù)的成本，而且具有良好的啟動(dòng)和運(yùn)行性能，并可方便的實(shí)現(xiàn)異步、同步、雙饋和變速恒頻發(fā)電等多種運(yùn)行方式。對(duì)該種電機(jī)的研究和開發(fā)可望有效解決制約傳統(tǒng)交流電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的某些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，以及水力，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的恒頻變速問(wèn)題，因此，對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)進(jìn)行深入的研究具有十分重要的意義。1.3.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)作為變頻調(diào)速電機(jī)，當(dāng)應(yīng)用于大容量的電氣傳動(dòng)

23、系統(tǒng)時(shí)，由于變頻器的容量大大減小，從而可以大大降低調(diào)速系統(tǒng)的成本。在許許多多的生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，如發(fā)電廠和鋼鐵企業(yè)中，水泵和通風(fēng)機(jī)等負(fù)載面廣量大，如果采用交流變頻調(diào)速裝置替代閥門，擋板來(lái)調(diào)節(jié)流量，可獲得很好的節(jié)能效果。然而，不幸的是在風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載中采用普通的變頻調(diào)速系統(tǒng)，盡管可以起到良好的節(jié)能效果，但是存在的最大問(wèn)題是變頻器（特別是大中容量的變頻器）的價(jià)格太高，往往使大中型電機(jī)的變頻調(diào)速變得可望不可及，有些觀點(diǎn)認(rèn)為，大中型電機(jī)采用變頻調(diào)速后，一次性投資成本的利息比由節(jié)能所省下的錢還多。因此，如何降低所需變頻器容量從而降低整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的成本成為在更大范圍內(nèi)推廣變頻調(diào)節(jié)節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵所在。在變頻調(diào)速系

24、統(tǒng)中一般采用籠型感應(yīng)電機(jī)，由于所需變頻器的容量大于電機(jī)的額定功率，而變頻器的價(jià)格一般要高出同容量電機(jī)的34倍，因此整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的成本很高，從而限制了該類變頻調(diào)速系統(tǒng)在更大范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用。近些年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)繞線式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)有刷雙饋調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了分析和研究，由于該類調(diào)速系統(tǒng)可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)差功率的轉(zhuǎn)子電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，因此所需變頻器的容量只是有定子繞組提供給系統(tǒng)的功率的一小部分。在風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載中，一般調(diào)速范圍在70100%額定轉(zhuǎn)速之間，所需變頻器的功率很小，因此繞線式感應(yīng)電機(jī)雙饋調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與籠型電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)相比只需一個(gè)較小的變頻器，因而大大降低了變頻器的容量和造價(jià)，減

25、小了調(diào)速系統(tǒng)的成本。但是，繞線式感應(yīng)電機(jī)具有電刷和滑環(huán)，其運(yùn)行的可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)，特別在某些易燃易爆和多灰的場(chǎng)合難以推廣應(yīng)用。當(dāng)采用無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，承擔(dān)主要輸入電功率的定子功率繞組可以直接由工頻電網(wǎng)供電，而變頻器只需為定子控制繞組提供“轉(zhuǎn)差功率”，不僅降低了調(diào)速系統(tǒng)的成本，而且實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷化，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)與其他調(diào)速系統(tǒng)相比，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：1) 通過(guò)變頻器的功率僅占電動(dòng)機(jī)總功率的一小部分，可以大大降低變頻器的容量，從而降低了調(diào)速系統(tǒng)的成本；2) 功率因數(shù)可調(diào)，可以提高調(diào)速系統(tǒng)的力能指標(biāo)；3) 與有刷雙饋和串調(diào)系統(tǒng)相比，取消了電刷和滑環(huán)，提高了系統(tǒng)運(yùn)

26、行的可靠性；4) 即使在變頻器發(fā)生故障的情況下，電動(dòng)機(jī)仍然可以運(yùn)行于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下；5) 電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速僅與功率繞組和控制繞組的頻率及其相序有關(guān)，而與負(fù)載轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)，因此電機(jī)具有硬的機(jī)械特性。1.3.2 用無(wú)刷雙饋電機(jī)取代常規(guī)的高壓感應(yīng)電機(jī)，可以有效解決高壓電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中存在的技術(shù)難題。 實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的變頻調(diào)速一般有兩種方法：一種是采用高壓變頻器；另一種是采用高低高變頻方案。當(dāng)采用高壓直接變頻時(shí)，由于需要采用多器件的串并聯(lián)，線路復(fù)雜，技術(shù)難度大，系統(tǒng)的可靠性差，而且高壓變頻器的價(jià)格比同容量的普通低壓變頻器要高得多；當(dāng)采用高低高變頻方案時(shí)，需要先用降壓變壓器把高壓變?yōu)榈蛪?，?jīng)低壓變頻后，再用

27、生壓變壓器生壓，該方案的優(yōu)點(diǎn)是可采用普通的低壓變頻器，缺點(diǎn)是多了兩臺(tái)同容量的變壓器，增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本。如果采用無(wú)刷雙饋電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，功率繞組可以由高壓電源供電，控制繞組由普通的低壓變頻器供電，則高壓電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)存在的上述問(wèn)題可以得到有效的解決。1.3.3 作為異步和同步通用的電機(jī)，無(wú)刷雙饋電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化和通用化，既具有感應(yīng)電機(jī)良好的自啟動(dòng)性能，又具有同步電機(jī)優(yōu)良的運(yùn)行性能。目前應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面大量廣的交流電機(jī)主要是同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)上的差異，同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)一般是不能兼用的，而它們各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。同步電機(jī)和繞線式感應(yīng)電機(jī)都采用電刷和滑環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組與外部電

28、路的連接，由于滑動(dòng)觸頭和電刷磨損，不僅降低了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，而且電刷需要定期維護(hù)和更換，增加了運(yùn)行費(fèi)用。此外滑動(dòng)接觸容易產(chǎn)生火花，從而限制了有刷電機(jī)在含有易燃和易爆氣體的餓環(huán)境中的應(yīng)用。普通籠型感應(yīng)電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是它又不如繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的控制那么方便，也不如同步電機(jī)的運(yùn)行性能指標(biāo)高。因此，開發(fā)研制一種集各種電機(jī)優(yōu)勢(shì)，既無(wú)刷化（堅(jiān)固可靠）又通用化（能實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行方式）的新型交流電機(jī)是電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向，也是當(dāng)前我國(guó)電機(jī)制造業(yè)亟待解決的一項(xiàng)重大技術(shù)難題，目前在部分同步電機(jī)中采用的無(wú)刷勵(lì)磁雖然取消了滑環(huán)和電刷，但并未使電機(jī)的到簡(jiǎn)化，而是將勵(lì)磁控制元件固定在轉(zhuǎn)子上隨電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，增加了

29、電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造成本，并未從根本上解決電機(jī)的運(yùn)行可靠性問(wèn)題，因?yàn)殡S轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)的電子元件和控制電路增加了轉(zhuǎn)子運(yùn)行的不可靠因數(shù)。永磁電機(jī)雖然可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化，但是由于其勵(lì)磁不能調(diào)節(jié)從而限制了它的應(yīng)用范圍。目前在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中大量應(yīng)用的同步電機(jī)和繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)仍然采用有刷結(jié)構(gòu)。而大中型異同步無(wú)刷通用交流電機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)。無(wú)刷雙饋調(diào)速電機(jī)從根本上解決了無(wú)刷化問(wèn)題，除了無(wú)刷可靠外，該類電機(jī)的另一個(gè)特點(diǎn)是兼有籠型、繞線式感應(yīng)電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)的共同優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)簡(jiǎn)單的改變控制繞組的聯(lián)接與饋電方式，可以方便的實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)、異步、同步和雙饋等多種運(yùn)行方式，使其竟既具有良好的啟動(dòng)特性，又具有優(yōu)良的

30、運(yùn)行性能。1.3.4 無(wú)刷雙饋電機(jī)作為變速恒頻交流發(fā)電機(jī)，應(yīng)用于水力或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。水力或風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般極數(shù)較多，特殊的運(yùn)行工況對(duì)發(fā)電機(jī)的可靠性提出了很高的要求。近年來(lái)，將繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)用于交流了勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的研究工作已引起國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究興趣，取得了學(xué)多研究成果并已成功的應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。但繞線式感應(yīng)電機(jī)具有電刷和滑環(huán)，可靠性差是其致命的弱點(diǎn)。無(wú)刷雙饋電機(jī)作為交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻恒壓運(yùn)行，特別適合于多極低速水力或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。無(wú)刷雙饋電機(jī)的功率繞組用于發(fā)電，控制繞組用作交流勵(lì)磁，根據(jù)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率便可實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，通過(guò)改變

31、勵(lì)磁電流的幅值和相位可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功調(diào)節(jié)。因此在水力和風(fēng)力變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，無(wú)刷雙饋電機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。在我國(guó)，已經(jīng)將“交流勵(lì)磁變速發(fā)電機(jī)的研究”列為三峽工程水力發(fā)電機(jī)組技術(shù)急需進(jìn)一步研究的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的首位。有理由相信，在對(duì)無(wú)刷雙饋的研究取得重大進(jìn)展和突破以后，將其用于抽水蓄能電站機(jī)組以取代繞線式感應(yīng)電機(jī)，從而提高電機(jī)的運(yùn)行可靠性，也是無(wú)刷雙饋電機(jī)一個(gè)很有發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域。上述應(yīng)用展示了無(wú)刷雙饋電機(jī)廣闊的應(yīng)用前景。但是，任何事物都具有兩面性，無(wú)刷雙饋電機(jī)也有其固有的缺點(diǎn)。由于該種電機(jī)的定子內(nèi)同時(shí)嵌有兩套對(duì)稱的三相繞組，因此，與常規(guī)的交流電機(jī)相比，其功率密度較低，體積較大。但與串級(jí)聯(lián)接的兩

32、臺(tái)感應(yīng)電機(jī)相比，體積要小得多。在無(wú)刷雙饋調(diào)速系統(tǒng)中，雖然電機(jī)的成本稍高一些，但所需變頻器容量和價(jià)格的下降，仍能使這個(gè)系統(tǒng)的成本大大降低。第二章 無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的原理無(wú)刷雙饋電機(jī)定子上有兩套不同極對(duì)數(shù)繞制的繞組,分別流過(guò)不同頻率的三相對(duì)稱電流,氣隙中存在幾種不同極對(duì)數(shù)的磁場(chǎng)，與傳統(tǒng)電機(jī)相比有很大差異,采用傳統(tǒng)交流電機(jī)的基本理論難以解釋其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)理和電機(jī)能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程。本章首先簡(jiǎn)單介紹一下定子繞組的結(jié)構(gòu),然后討論轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)和原理。2.1 定子繞組的結(jié)構(gòu)無(wú)刷雙饋電機(jī)的定子鐵芯即為一般異步電機(jī)鐵芯,但起定子繞組需要能在同一氣隙中產(chǎn)生兩種不同極對(duì)數(shù)的磁場(chǎng)。從理論上講，這種要求可以通過(guò)以下集

33、中方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：1、獨(dú)立的定子繞組：在定子上安排兩套分別對(duì)應(yīng)于兩種不同極對(duì)數(shù)的繞組；2、多并聯(lián)支路單套繞組：定子繞組每相有三個(gè)或三的倍數(shù)個(gè)并聯(lián)支路，通過(guò)內(nèi)部對(duì)不同相支路的連接，形成另一種極數(shù)的繞組；3、內(nèi)部交叉連接繞組：主要用于極對(duì)數(shù)的配合比率為“奇：偶”或“偶：奇”的情況；4、極幅調(diào)制（PAM）繞組：這種繞組每相有兩個(gè)并聯(lián)通路，通過(guò)對(duì)每相一半繞組中的電流反相來(lái)得到另一種極數(shù)的繞組。這種繞組適用于任何極數(shù)，但可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)制后生成的極數(shù)下繞組的分布系數(shù)較低。由于方案3、4在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有很大的局限性,本文就根據(jù)方案1、2把無(wú)刷雙饋電機(jī)的定子繞組分為單繞組和雙繞組兩種方案。單繞組方案即從單一的定子繞組

34、中引出兩個(gè)端口(如3Y),從不同端口看進(jìn)去時(shí),繞組應(yīng)呈現(xiàn)不同的極數(shù)和。這樣單一的定子繞組同時(shí)起到了主、副繞組的作用。兩種不同頻率的電流同時(shí)流入不同的端口時(shí),在電機(jī)內(nèi)形成不同極數(shù)、不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。設(shè)計(jì)的單定子繞組對(duì)于極和極必須是各自對(duì)稱的。對(duì)于單定子繞組的無(wú)刷雙饋電機(jī)來(lái)說(shuō)，一套定子繞組應(yīng)有6個(gè)出線端，分別作為工頻和變頻電源的入口，當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)供電時(shí)，回產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的、不同極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。為了是兩個(gè)電源互不干擾，由功率繞對(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)在對(duì)極控制繞組的3個(gè)出線端之間不出現(xiàn)電勢(shì)差，以避免控制端口通電時(shí)引起工頻電源的附加電流；同理，有控制繞組對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)

35、生的感應(yīng)電勢(shì)也應(yīng)在對(duì)極功率繞組的出線端間不產(chǎn)生電勢(shì)差，不引起變頻電源的附加電流。此外繞組在選擇線圈節(jié)距和線圈組排列時(shí)，須同時(shí)兼顧兩種極對(duì)數(shù)下消弱不必要的諧波的要求。根據(jù)這個(gè)原理，定子繞組需要采用多并聯(lián)支路方式進(jìn)行連接，并盡可能使三相繞組實(shí)現(xiàn)最佳分布，圖2.1就是一臺(tái)36槽（6+2）極的無(wú)刷雙饋電機(jī)的一種繞組方案，該方案中采用的是120相帶雙層分布疊繞組，從abc端口看進(jìn)去時(shí)呈現(xiàn)2極，從ABC端口呈現(xiàn)6極。圖2.1 36槽（6+2）極的無(wú)刷雙饋電機(jī)的繞組方案之一雙繞組方案是采取在同一定子鐵心上安放兩套相對(duì)獨(dú)立繞組的方式。也是無(wú)刷雙饋電機(jī)在定子繞組設(shè)計(jì)中最為簡(jiǎn)單的一種方法。由于兩套繞組相互獨(dú)立，可

36、按各自要求選取最佳的繞組節(jié)距和繞組排列，特別可有目的地消除某些諧波影響，使設(shè)計(jì)具有較大的選擇余地，定子繞組的設(shè)計(jì)具有靈活性。有上可知，采用單繞組的好處是定子槽和繞組的利用率高，銅損耗相對(duì)小些，單設(shè)計(jì)困難，不易得到主、副繞組兩全其美的方案。雙繞組方案雖然槽利用率低些，但設(shè)計(jì)容易，便于獲得主、副繞組之間較理想的耦合關(guān)系。2.2 轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)籠型無(wú)刷雙饋電機(jī)中不同極數(shù)定子磁場(chǎng)和之間的耦合是通過(guò)轉(zhuǎn)子磁勢(shì)波的調(diào)制作用實(shí)現(xiàn)的，提升轉(zhuǎn)子磁勢(shì)中有用的和次諧波分量，同時(shí)抑制其它次諧波就成為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。根據(jù)前面的分析可知，若轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)，由于齒槽的作用，轉(zhuǎn)子會(huì)同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)極對(duì)數(shù)分別為和對(duì)極的磁場(chǎng)，滿足

37、對(duì)定子磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。但從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，按此原則設(shè)計(jì)出的一些實(shí)用和對(duì)極組合，轉(zhuǎn)子所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)條數(shù)太少，轉(zhuǎn)子槽漏抗將很大，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量諧波，將嚴(yán)重?fù)p壞電機(jī)的性能。因此在保證電機(jī)結(jié)構(gòu)滿足機(jī)電能量轉(zhuǎn)換要求的前提下，還需采取措施減小轉(zhuǎn)子漏抗，優(yōu)化電機(jī)特性。從電機(jī)學(xué)可知，導(dǎo)條數(shù)為的鼠籠轉(zhuǎn)子可以看成是相的轉(zhuǎn)子繞組。從繞組的角度看，一個(gè)相繞組與根鼠籠導(dǎo)條的區(qū)別在于每相中線圈的分布。換言之，如果在不改變轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)的條件下增加轉(zhuǎn)子的槽數(shù)，槽漏抗將大大降低，這樣在保證無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行原理對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本要求的情況下，可以有效的優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行特性。由于無(wú)刷雙饋電機(jī)具有自起動(dòng)性能，因此不需要在轉(zhuǎn)子上裝設(shè)起動(dòng)籠

38、。總的說(shuō)來(lái)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為磁組式和籠型兩大類。圖2.2示出了無(wú)刷雙饋電機(jī)通常采用的4種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式（其中）。在圖2.2中，#1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與常規(guī)的感應(yīng)電機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子相類似，如果不考慮短路籠條的作用，定子電流產(chǎn)生的不同極數(shù)的磁動(dòng)勢(shì)可以在任何方向上隨意流動(dòng)。然而在組同心式短路線圈的作用下，除恒定磁通外，交變磁通并不能只有流通。由于感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流阻止磁通通過(guò)短路線圈，定子磁動(dòng)勢(shì)在線圈中心線處遇到了較大的“磁阻”，而相鄰線圈組分界處的“磁阻”較小。#1轉(zhuǎn)子制造容易。#2轉(zhuǎn)子實(shí)際上就是用在常規(guī)同步電機(jī)上的普通凸極轉(zhuǎn)子，具有簡(jiǎn)單可靠的結(jié)構(gòu)且制造容易。然而它的所有磁極間并不是磁隔離的，既可認(rèn)為是4極的也可認(rèn)為是

39、2極的，這取決于釘子邊的磁動(dòng)勢(shì)極數(shù)。#3轉(zhuǎn)子是帶磁隔離層的磁障轉(zhuǎn)子，目的在于增大交軸磁阻。該轉(zhuǎn)子并不能為2極磁動(dòng)勢(shì)提供通路，是一個(gè)純粹的4極轉(zhuǎn)子。顯然該轉(zhuǎn)子制造工藝比較復(fù)雜。#4轉(zhuǎn)子是軸向疊片的ALA（Axially Laminated Anisotropic）磁阻轉(zhuǎn)子，在結(jié)構(gòu)型式上可以認(rèn)為是#3轉(zhuǎn)子的特例，該轉(zhuǎn)子比較難于制造。無(wú)論那種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其作用均是通過(guò)“限定磁通路徑”，以產(chǎn)生交直軸方向的磁阻差別，從而使主副繞組產(chǎn)生不同極數(shù)的氣隙磁場(chǎng)得以調(diào)制，在已查閱到的有關(guān)無(wú)刷雙饋電機(jī)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，這幾種轉(zhuǎn)子均有采用，但#1、#3和#4號(hào)轉(zhuǎn)子用的較多。圖2.2 無(wú)刷雙饋電機(jī)常用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式2.3 籠

40、型轉(zhuǎn)子的“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”作用以轉(zhuǎn)子為36槽的（8+4）極無(wú)刷雙饋電機(jī)為例（主繞組極數(shù)，副繞組極數(shù)），采用“和調(diào)制”時(shí)，同心式轉(zhuǎn)子繞組的組數(shù)等于6。當(dāng)其工作在雙饋調(diào)速運(yùn)行時(shí)，主副繞組中不同頻率的電流將在電機(jī)中形成兩個(gè)不同極數(shù)、不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)處于兩種極數(shù)磁場(chǎng)下的轉(zhuǎn)子槽電勢(shì)矢量圖如圖2.3所示。在圖2.3中，外環(huán)是相對(duì)于定子4極磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子槽電勢(shì)矢量，內(nèi)環(huán)是相對(duì)于定子8極磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子槽電勢(shì)矢量。內(nèi)外環(huán)上的矢量按相反方向編號(hào)是考慮到不同極數(shù)的兩個(gè)定子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子按相反的方向旋轉(zhuǎn)。用黑體（加粗）標(biāo)識(shí)的槽電勢(shì)（1，7，13，19，25，31）表示8極和4極磁場(chǎng)在這些導(dǎo)條中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)在任何瞬時(shí)都方向一

41、致，所以這6個(gè)導(dǎo)條可以形成共用籠條。在兩個(gè)鄰近導(dǎo)條（如1和7）之間的導(dǎo)條（即2，3，4，5，6），無(wú)論對(duì)于8極還是4極磁場(chǎng)，矢量+2和-6、+3和-5的合成矢量都處在同一方向上，所以2和6、3和5導(dǎo)條可以簡(jiǎn)單地聯(lián)接成同心式短路線圈，對(duì)于8極和4極磁場(chǎng)這些短路線圈的作用是相同的。合成矢量的位置相對(duì)于8極是+,相對(duì)于4極是-，這與兩個(gè)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子按相反方向旋轉(zhuǎn)的關(guān)系是一致的。用類似方法聯(lián)接，可以形成6組同樣結(jié)構(gòu)的同心式短路線圈。正好處于兩個(gè)鄰近導(dǎo)條中間的導(dǎo)體（標(biāo)號(hào)帶方框的4，10，16，22，28，34），其8極和4極槽電勢(shì)矢量恰好方向相反，因此在這些槽中的導(dǎo)體不會(huì)起到有效作用，為省銅起見這些槽

42、可空下不用。按此規(guī)律，36槽的導(dǎo)條可以形成6組同樣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)條連接，從而得到了如圖2.4所示聯(lián)成的單5C42分布籠型轉(zhuǎn)子繞組。圖2.3 （8+4）極無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子槽電勢(shì)矢量（轉(zhuǎn)子槽數(shù)為36）圖2.4 （8+4）極無(wú)刷雙饋電機(jī)單層分布轉(zhuǎn)子繞組所謂電機(jī)轉(zhuǎn)子“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”作用，就是靠圖2.4所示的特殊形式的轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定子兩套不同極數(shù)繞組之間的耦合關(guān)系。當(dāng)電機(jī)雙饋運(yùn)行時(shí)，副繞組中電流產(chǎn)生極磁場(chǎng)，在某一特定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子繞組切割這一磁場(chǎng)后在其各槽導(dǎo)體中產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，由這些電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也正好滿足在極繞組中產(chǎn)生同頻率速度電動(dòng)勢(shì)的需要，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。2.4 繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2.3所示籠

43、型轉(zhuǎn)子雖然能耦合傳遞主、副繞組的磁場(chǎng)作用，其主要的理論依據(jù)是p、q對(duì)極磁場(chǎng)在同心線圈產(chǎn)生同相位電勢(shì)，這些線圈得以利用，但去掉了電勢(shì)不同相的導(dǎo)條。顯然，這種籠型轉(zhuǎn)子繞組系數(shù)低，諧波含量大，造成電機(jī)效率及過(guò)載能力低。單一極的對(duì)數(shù)的繞線形轉(zhuǎn)子，其諧波系數(shù)可有效的控制，繞組系數(shù)也可以確定，如果既保證上述特征，又能耦合傳遞主、副繞組磁場(chǎng)的關(guān)系。那么繞線型轉(zhuǎn)子將大大改善無(wú)刷發(fā)電機(jī)的性能。這種轉(zhuǎn)子繞組換相法變極獲得。這種新型轉(zhuǎn)子繞組接線方式更靈活，可利用交流電機(jī)繞組理論對(duì)對(duì)p和q兩種極對(duì)數(shù)選擇、磁勢(shì)相對(duì)轉(zhuǎn)向、繞組分布系數(shù)、諧波含量等進(jìn)行“人工”控制設(shè)計(jì)，因而用于無(wú)刷雙饋電機(jī)可能更好的性能。 60相帶繞組由于

44、分布系數(shù)教大、諧波含量較少和接線簡(jiǎn)單是三相電機(jī)中性能最好的繞組。用對(duì)稱軸線法換向變極。以2p=6,2q=2,槽數(shù)為36的轉(zhuǎn)子繞組為實(shí)例。其中，6極和2極都為60相帶。 36槽6極60相帶繞組三相所占的槽號(hào)：由此畫出按2極相位排列的6極三相槽號(hào)表和變后極的三相相位圖： 變前極每相三段槽號(hào)為：A相：1，2，-19，-20；13，14，-31，-32；25，26，-7，-8。B相：5，6，-23，-24；17，18，-35，-36；29，30，-11，-12。C相：9，10，-27，-28；21，22，-3，-4；33，34，-15，-16。 變后極每相三段螬號(hào)為：a相：1，2，-19，-20；5，

45、6，-23，-24；-21，-22，3，4。b相：-32，-31，14，13；17，18，-35，-36；-33，-34，15，16。c相：-8，-7，26，25；-12，-11，29，30；-9，-10，27，28。依據(jù)“變極”原理設(shè)計(jì)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組基本思想仍源于由兩臺(tái)轉(zhuǎn)子繞組做反相序串極聯(lián)結(jié)繞線型感應(yīng)電機(jī)構(gòu)成的雙饋調(diào)速機(jī)組，其原理上可看成兩套極對(duì)數(shù)不同，反相序聯(lián)結(jié)的多相子繞組構(gòu)成。當(dāng)然，如果只是簡(jiǎn)單將兩者加以連接，那么轉(zhuǎn)子槽導(dǎo)體的實(shí)際利用率很難高于現(xiàn)有籠型繞組的。為提高轉(zhuǎn)子槽導(dǎo)體的實(shí)際利用率，還必須使得轉(zhuǎn)子槽導(dǎo)體做到“來(lái)復(fù)利用”，使得同一套繞組對(duì)兩種極數(shù)既能感應(yīng)電勢(shì)又能互相作為激磁源。若

46、實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)想，必須還要有能具體實(shí)現(xiàn)的接線方式。為此，筆者提出可用于無(wú)刷雙饋電機(jī)的“變級(jí)”繞線轉(zhuǎn)子繞組的一種接線方式。如圖2.5所示。圖2.5 p/q,3Y/3Y換相變極異極反相序串聯(lián)接的轉(zhuǎn)子繞組 從圖2.5可以看出，這種接線方式的基本部分是變極比為p/q的3Y并聯(lián)接法換相變極繞組。這個(gè)3Y并聯(lián)接法換相變極繞組有分為兩組的6個(gè)出現(xiàn)端，每組3個(gè)出線端，標(biāo)記為pa、pb、pc和qa、qb、qc,分別對(duì)應(yīng)p對(duì)極和q對(duì)極，兩組出線頭之間反相序關(guān)系聯(lián)結(jié)，即pa和qc、pb和qb、pc和qc分別聯(lián)結(jié)。 采用上述聯(lián)結(jié)的工作原理如下。參見圖2.4，用于定子的極對(duì)數(shù)為p和q的3Y并聯(lián)接法換相變極繞組，如果出線端p

47、a、pb、pc接如三相電源，出線端qa、qb、qc,懸空，則呈現(xiàn)P對(duì)極；反之，如果在出險(xiǎn)端qa、qb、qc，接如三相電源，出線端pa、pb、pc懸空，則呈現(xiàn)q對(duì)極。現(xiàn)在將3Y并聯(lián)接法換相變極繞組用于轉(zhuǎn)子繞組，并且按無(wú)刷雙饋電機(jī)理論要求將出線端pa、pb、pc和qa、qb、qc作異極反相序聯(lián)結(jié)。這樣，當(dāng)定子上放置有極對(duì)數(shù)分別為p和q的兩套三相繞組時(shí)，若將極對(duì)數(shù)為p的定子繞組接電網(wǎng)電源，轉(zhuǎn)子繞組因?yàn)槌鲭U(xiǎn)線端pa、pb、pc和qa、qb、qc反相序聯(lián)接，這時(shí)在定子p對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下感應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流，除因從出線端pa、pb、pc流出使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生p對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)外，還因注入到出線端qa、qb、qc使轉(zhuǎn)子

48、繞組產(chǎn)生相對(duì)p對(duì)極反相旋轉(zhuǎn)的q對(duì)極磁勢(shì)。同樣，當(dāng)極對(duì)數(shù)為q定子繞組接入變頻電源時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組也既能產(chǎn)生q對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，又能產(chǎn)生反相旋轉(zhuǎn)的p對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。這樣，當(dāng)極對(duì)數(shù)為p的定子繞組接電網(wǎng)電源，同時(shí)在極對(duì)數(shù)為q的定子繞組接入變頻電源，兩套定子繞組通過(guò)轉(zhuǎn)子相互作用，調(diào)節(jié)變頻電源頻率，將可以如同常規(guī)無(wú)刷雙饋電機(jī)一樣進(jìn)入變頻調(diào)速工作狀態(tài)。 值得注意的是，與通常的籠型轉(zhuǎn)子繞組相比較，本文轉(zhuǎn)子繞組同時(shí)產(chǎn)生p和q對(duì)極這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反磁勢(shì)的機(jī)理是有所不同的，通?；\型轉(zhuǎn)子繞組的p和q對(duì)極磁勢(shì)是相同導(dǎo)體中流過(guò)電流產(chǎn)生的，而繞線型轉(zhuǎn)子繞組則是雜原理上看作是兩套不同極對(duì)數(shù)的三相繞組反相序串聯(lián)而成，每套繞組導(dǎo)體只產(chǎn)生一

49、種極對(duì)數(shù)的磁勢(shì)。只是因?yàn)槔昧?Y并聯(lián)接法換相變極繞組的特點(diǎn)，使轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體得到重復(fù)利用，一套繞組就可以完全達(dá)到兩套繞組的效果。顯然，與通常無(wú)刷雙饋電機(jī)中籠形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子繞組相比較，繞線型轉(zhuǎn)子繞組有更多的特點(diǎn)：籠形轉(zhuǎn)子繞組因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的限制，同時(shí)產(chǎn)生的極對(duì)數(shù)p和q只能是倍極比的關(guān)系，而繞線型轉(zhuǎn)子繞組的極對(duì)數(shù)p和則是可以任意選擇的；籠形轉(zhuǎn)子繞組無(wú)論是對(duì)于極對(duì)數(shù)p或是q，繞組分布系數(shù)都不太高，諧波含量也較高，這直接限制了其應(yīng)用，而本文利用換相變極繞組理論，可以使兩種極數(shù)下的繞組分布系數(shù)都得到提高，諧波含量則可降低；籠形轉(zhuǎn)子繞組所產(chǎn)生的極對(duì)數(shù)p和q的繞組有效匝數(shù)比更難加以調(diào)整，繞線型轉(zhuǎn)子繞組接線方式要靈活的

50、多，極對(duì)數(shù)p和q繞組有效匝數(shù)比可以根據(jù)需要任意調(diào)整。以實(shí)例說(shuō)明上述連接。圖2.6所示為2p=6,2q=2,槽數(shù)為36的轉(zhuǎn)子繞組實(shí)例。其中6極和2極都為60相帶，且都為3Y接法。圖2.6 36槽的繞線型轉(zhuǎn)子繞組第三章 建立籠型轉(zhuǎn)子繞組諧波磁勢(shì)計(jì)算模型3.1 “安導(dǎo)波”的概念及其與磁勢(shì)的關(guān)系 電機(jī)繞組最基本的特征之一是通以電流便產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而沿氣隙周圍分布著磁勢(shì)。所謂氣隙周圍某點(diǎn)的磁勢(shì)就是指該點(diǎn)的氣隙磁壓降。我們把這種磁勢(shì)稱為繞組磁勢(shì)。電機(jī)繞組的中心內(nèi)容就是研究繞組磁勢(shì)的分布、變化規(guī)律及其相對(duì)大小。 電機(jī)繞組是由一些沿電機(jī)氣隙周圍分布的導(dǎo)體以某種方式連接在一起而形成的。當(dāng)繞組通以電流時(shí)，沿氣隙周圍

51、就出現(xiàn)了電流層。所謂“安導(dǎo)波”就是來(lái)描述這個(gè)電流層的分布情況。其意義是：以單層繞組為例，設(shè)氣隙周圍上某一槽口寬度為（弧度）即的槽內(nèi)嵌有根導(dǎo)體，每根導(dǎo)體有電流（安），假定電流均勻分布于槽口上，則氣隙周圍該寬度上的安導(dǎo)強(qiáng)度為（安/弧度）。如果是雙層繞組，則應(yīng)為上、下層安導(dǎo)的代數(shù)和（上、下層電流方向相同時(shí)相加，否則相減）。顯然，在齒頂處的安導(dǎo)強(qiáng)度應(yīng)為零。由此可知“安導(dǎo)波”嚴(yán)格的說(shuō)應(yīng)為“安導(dǎo)強(qiáng)度分布波”，實(shí)際上就是沿氣隙周圍的電流層強(qiáng)度分布波，也叫電流負(fù)荷分布波。用來(lái)代表安導(dǎo)波，其中變量的單位是弧度，全圓周是。 如果認(rèn)為槽內(nèi)的安導(dǎo)集中在槽口正中一點(diǎn)上，則而。這時(shí)每個(gè)槽產(chǎn)生的安導(dǎo)波變成一個(gè)脈沖函數(shù)，該函

52、數(shù)沿氣隙周圍的積分等于槽內(nèi)的安導(dǎo)。 根據(jù)上述安導(dǎo)波的意義可見，安導(dǎo)波沿氣隙周圍某一段弧的積分等于該段弧上的凈有總安導(dǎo)，即該段弧上所有各槽安導(dǎo)的代數(shù)和。 現(xiàn)取氣隙圓周上磁場(chǎng)強(qiáng)度為零的一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。通過(guò)原點(diǎn)和坐標(biāo)為的任意一點(diǎn)取一閉合回路如圖3.1中的虛線所示。則從全電流定律可知，沿閉合回路的總磁壓降應(yīng)等于回路內(nèi)的總電流，即安導(dǎo)波沿弧段的積分為。于是，由于點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為零，隨之該點(diǎn)的氣隙磁壓降等于零，在假定鐵心的相對(duì)磁導(dǎo)率為無(wú)窮大，因而鐵心中的磁壓降就等于點(diǎn)處氣隙的磁壓降，稱為點(diǎn)的磁勢(shì)，用符號(hào)表示。這樣可得磁勢(shì)波和安導(dǎo)波之間的關(guān)系為 （3-1） 圖3.1 磁勢(shì)和安導(dǎo)的關(guān)系3.2 單根導(dǎo)體的磁勢(shì)計(jì)

53、算 如上所述，電機(jī)繞組是由導(dǎo)體構(gòu)成的，因此只要首先分析單根導(dǎo)體的安導(dǎo)波和磁勢(shì)波，就可以進(jìn)一步得出整個(gè)繞組的安導(dǎo)波和磁勢(shì)波。 首先我們來(lái)求單根導(dǎo)體的安導(dǎo)波（這里所說(shuō)的單根導(dǎo)體也可以看作是由線圈組成的單邊線圈）。設(shè)有單根導(dǎo)體嵌于槽中，并通過(guò)電流（瞬時(shí)值，有正、負(fù)，以流出紙面為正）如圖3.2a）所示，則可畫出該導(dǎo)體產(chǎn)生的安導(dǎo)波如圖3.2b）中的實(shí)線矩形波?，F(xiàn)把該波分解為兩個(gè)分量：一是沿周圍的平均值（圖3.2b中的虛線），另一個(gè)是圖3.2c）所示的曲線。其中，平均值對(duì)整個(gè)周圍來(lái)說(shuō)是一個(gè)常數(shù)，稱為常數(shù)分量，其大小與電流成正比。在實(shí)際電機(jī)中，決大多數(shù)是從電機(jī)的同一個(gè)端部出線，當(dāng)沿繞組首端至末端行進(jìn)時(shí)，由某

54、一導(dǎo)體進(jìn)入，必從另一導(dǎo)體出來(lái)，因此所有導(dǎo)體電流瞬時(shí)值的代數(shù)和必為零。這就是說(shuō)從整個(gè)繞組來(lái)看，單根導(dǎo)體產(chǎn)生的安導(dǎo)波中的常數(shù)分量恰好互相抵消，合成結(jié)果為零。正因?yàn)檫@樣，在分析單根導(dǎo)體的安導(dǎo)波時(shí)可以不考慮常數(shù)分量，并不影響對(duì)整個(gè)繞組的分析結(jié)果。 如上分析，可把圖3.2c）曲線當(dāng)作單跟導(dǎo)體的安導(dǎo)波。把坐標(biāo)原點(diǎn)取在槽口的正中，按傅立葉級(jí)數(shù)展開的單根導(dǎo)體的安導(dǎo)波式中表示諧波的極對(duì)數(shù)，即=1的諧波波長(zhǎng)等于整個(gè)圓周。在下面的分析中，我們用來(lái)表示相對(duì)于基波的“次數(shù)”，即，次諧波的極對(duì)數(shù)為。本文中的“對(duì)極諧波”和“次諧波”是兩種不同的表示方法，要注意區(qū)別。由圖3.2c）可得出對(duì)極諧波的幅值為圖3.2 單根導(dǎo)體的安

55、導(dǎo)波由此可得單根導(dǎo)體產(chǎn)生的安導(dǎo)波為（3-2）其中決定于槽口寬度，成為對(duì)極諧波的槽口系數(shù)，假設(shè)電流集中于槽口正中一點(diǎn)，即時(shí)，則故得（3-3）由式（3-1）和（3-3）可得單根導(dǎo)體的磁勢(shì)波（3-4）3.3 單個(gè)線圈的磁勢(shì)計(jì)算 大多數(shù)電機(jī)繞組都是由匝數(shù)相同、節(jié)距相等的線圈構(gòu)成，稱為“等元件繞組”，對(duì)這種繞組，以線圈為基本單元來(lái)分析繞組較為簡(jiǎn)單。圖3.3 單個(gè)線圈的安導(dǎo)波設(shè)有匝數(shù)的單個(gè)線圈嵌于相距（弧度）的兩個(gè)槽中，如圖3.3a）所示。則當(dāng)電流（瞬時(shí)值，有正、負(fù)，以圖中所示方向?yàn)檎┩ㄟ^(guò)線圈時(shí)，可得出圖3.3b）所示的安導(dǎo)波。把坐標(biāo)原點(diǎn)取在該線圈的軸線上，有式（3-3）可得線圈邊1和線圈邊2的安導(dǎo)波分別為；。 由此可的整個(gè)線圈的安導(dǎo)波為故得單個(gè)線圈的安導(dǎo)波（3-5）式中的 （3-6）為對(duì)對(duì)極諧波說(shuō)的線圈短距系數(shù)。. 已知安導(dǎo)波則從式（3-1）可得單個(gè)線圈產(chǎn)生的磁式波為省掉與無(wú)關(guān)的常數(shù)項(xiàng)，則表征磁勢(shì)諧波分量為 （3-7） 將前面敘述的代入上式，則其中（3-8）式中和分別為線圈節(jié)距和極距，用相同單位表示?，F(xiàn)在來(lái)證明式（3-8），證明如下：因?yàn)?，所以，即的出式?