無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子磁動勢諧波分析研究

1、目 錄摘 要 Abstract主要符號表第1章 無刷雙饋電機(jī)研究的背景和意義11.1緒論11.2 無刷雙饋電機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀11.3 無刷雙饋電機(jī)的研究意義5第2章 無刷雙饋電機(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)子繞組諧波磁勢計(jì)算模型173.1“安導(dǎo)波”的概念及其與磁勢的關(guān)系173.2 單根導(dǎo)體的磁勢計(jì)算183.3 單個線圈的磁勢計(jì)算203.4 線圈組的磁勢計(jì)算223.5 相繞組的磁勢計(jì)算233.6 整個轉(zhuǎn)子繞組各次諧波的磁勢計(jì)算24第4章 用MATLAB編寫諧波磁勢的

2、通用計(jì)算程序264.1 MATLAB簡介及其發(fā)展歷史264.2 用MATLAB語言對轉(zhuǎn)子諧波磁勢進(jìn)行編程274.2.1 磁勢計(jì)算的流程圖274.2.2 對磁勢計(jì)算進(jìn)行編程274.2.3 程序的運(yùn)行31第5章 極對數(shù)的功率繞組在轉(zhuǎn)子中建立的轉(zhuǎn)子諧波磁勢的分析研究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 極對數(shù)的控制繞組在轉(zhuǎn)子中建立的轉(zhuǎn)子諧波磁勢的分析研究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71參考文獻(xiàn)72致 謝73無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子磁動勢諧波分析研究摘 要 無刷雙饋電機(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)域中越來越受到重視。本文提出了用MATLAB語言編寫無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子磁動勢諧波的計(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刷雙饋電機(jī)研究的背

4、景和意義與無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的原理；然后建立籠型轉(zhuǎn)子繞組的諧波磁勢數(shù)學(xué)模型，并且用MATLAB編寫計(jì)算程序；最后分別對極對數(shù)為的功率繞組和的控制繞組在轉(zhuǎn)子中建立的轉(zhuǎn)子磁動勢諧波進(jìn)行分析研究。關(guān)鍵詞 無刷雙饋電機(jī) 轉(zhuǎn)子繞組 磁動勢諧波 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 表安導(dǎo)強(qiáng)度安導(dǎo)波單個線圈的安導(dǎo)

8、波單根導(dǎo)體的安導(dǎo)波電角度磁勢波單個線圈的磁式波單個線圈的次諧波磁勢的幅值相繞組的磁勢幅值線圈組的次諧波磁勢的幅值單根導(dǎo)體的磁勢波相繞組的磁勢波無刷雙饋電機(jī)的定子頻率導(dǎo)體電流的瞬時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)對對極諧波說的線圈短距系數(shù)對極諧波的槽口系數(shù)氣隙旋轉(zhuǎn)磁場同步速，轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)單個線圈的匝數(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)滑差諧波對基波的次數(shù)諧波極對數(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 無刷雙饋電機(jī)研

9、究的背景和意義1.1 緒論無刷雙饋調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，可以實(shí)現(xiàn)自啟動、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。研究無刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)無論是在理論或是實(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)鍵原因在于還沒有找到一個合適的轉(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，也即對無刷雙饋電機(jī)所要求的轉(zhuǎn)子兩種極數(shù)，設(shè)計(jì)時保留兩種極數(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)效率及過載能力較低的結(jié)果。由于認(rèn)為目前制約無刷雙饋?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，為解決這個問題，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)子繞組諧波磁勢分析的計(jì)算模型，針對所設(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。1.2 無刷雙饋電機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀近10年來，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，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史性的變革，以變頻調(diào)速為代表的交流電氣傳動以其優(yōu)異的性能、如調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動態(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。歸納起來，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，有稱為無換向器電機(jī)。根據(jù)頻率控制信號的來源，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)子磁極位置信號控制，無失步問題。（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)子極對數(shù)同時變化，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、無功控制。近年來還出現(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)速傳動方式中，交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，個具特色，同時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，同時滑動接觸易產(chǎn)生火花，限制了其使用場合。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)簡單、無接觸，運(yùn)行可靠、無需維護(hù)，但由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子需從定子側(cè)獲取勵磁，功率因數(shù)較低，由于變頻調(diào)速系統(tǒng)時，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)速時變頻器設(shè)置在定子側(cè)，通過全部功率時所需的變頻器容量大于電機(jī)的額定功率，是整個系統(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)無刷化并具備雙饋運(yùn)行功能，使交流傳動系統(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)和交流傳動系統(tǒng)亟待解決的一項(xiàng)技術(shù)難題。近年來，為了解決這個問題，國內(nèi)

16、外許多學(xué)者都將目光投向無刷雙饋，不僅具有簡單的轉(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)，越來越受到研究者的關(guān)注。無刷雙饋電機(jī)是從串極感應(yīng)電機(jī)發(fā)展而來的，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 兩臺感應(yīng)電機(jī)的串極連接串極系統(tǒng)中，若、分別為兩臺電機(jī)的極對數(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，轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，其中+、號分別對應(yīng)轉(zhuǎn)子反、正相序連接。假定第一臺電機(jī)的輸入功率為

17、，若在某一轉(zhuǎn)速時兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)差率分別為、，那么第一臺電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率為：若忽略電機(jī)損耗， 則就成為第一臺電機(jī)通過氣隙傳給第二臺電機(jī)的電功率。這樣第二臺電機(jī)軸上產(chǎn)生的機(jī)械功率為：在兩臺電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組反相序連接的條件下，整個機(jī)組的輸出功率為：試中：為第二臺電機(jī)定子外接電阻上消耗的電功率。 從串極電機(jī)的運(yùn)行過程來看，如果改變第二臺電機(jī)外接電阻的阻值，消耗在其上的滑差功率就會發(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可以取消滑環(huán)和電刷，并在一定范圍內(nèi)調(diào)速，人們曾經(jīng)將兩臺電機(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轉(zhuǎn)子合二為一構(gòu)成一個公用轉(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，且具有一個共同的磁路的單一機(jī)組，這就是無刷雙饋電機(jī)的原型。但由于受當(dāng)時技術(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)揮了越來越大的作用。但隨之而來的變頻器的高成本、諧波污染等問題也受到了關(guān)注。研究者發(fā)現(xiàn)在串極電機(jī)運(yùn)行時，當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化，第二臺電機(jī)的定子電流頻率也會隨之改變。反之，如果改變第二臺電機(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，且由于通過第二臺電機(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)小于由第一臺電機(jī)的定子繞組輸入的功率。這樣，將變頻器代替第二臺電機(jī)定子所接的電阻，就可采用較小容量的變頻器來控制電機(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。對于電機(jī)本體，以Braodway為代表的研究者們在Hunt發(fā)明的電機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大改進(jìn)。他們在滿足無刷雙饋電機(jī)對轉(zhuǎn)子磁場要求的前提下，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，并通過對普通雙層繞組的適當(dāng)連接獲得了兩種極對數(shù)磁場，簡化了定子繞組。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)生極對數(shù)磁場的繞組連接稱為功率繞組，在氣隙中產(chǎn)生極對數(shù)磁場的繞組連接稱為控制繞組。八十年代后，雙勵磁磁組式電機(jī)成為無刷雙饋電機(jī)研究的又一個新分支。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)用于無刷雙饋電機(jī)，這一切使無刷雙饋電機(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 無刷雙饋電機(jī)的研究意義無刷雙饋電機(jī)是一種新型的，同

21、時具有同步電機(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)行原來與傳統(tǒng)的交流電機(jī)有較大的差別，無刷雙饋電機(jī)的定子上具有兩套極數(shù)不同的對稱三相繞組，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)。通過電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁動勢諧波或磁導(dǎo)諧波對定子不同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行調(diào)制來實(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)無刷雙饋電機(jī)的多種運(yùn)行方式。無刷雙饋電機(jī)是在上世紀(jì)初Hunt提出的自級聯(lián)感應(yīng)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，一些學(xué)者對該類電機(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)展成為無刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)。無刷雙饋?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)問題，以及水力，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的恒頻變速問題，因此，對無刷雙饋電機(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

23、系統(tǒng)時，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，但是存在的最大問題是變頻器（特別是大中容量的變頻器）的價格太高，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，而變頻器的價格一般要高出同容量電機(jī)的34倍，因此整個調(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，一些學(xué)者對繞線式感應(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)可以通過控制轉(zhuǎn)差功率的轉(zhuǎn)子電流來實(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)動系統(tǒng)與籠型電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)相比只需一個較小的變頻器，因而大大降低了變頻器的容量和造價，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合難以推廣應(yīng)用。當(dāng)采用無刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時，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)了無刷化，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。無刷雙饋?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) 通過變頻器的功率僅占電動機(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，電動機(jī)仍然可以運(yùn)行于感應(yīng)電動機(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，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，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)是多了兩臺同容量的變壓器，增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本。如果采用無刷雙饋電機(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)，無刷雙饋電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無刷化和通用化，既具有感應(yīng)電機(jī)良好的自啟動性能，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)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組與外部電

28、路的連接，由于滑動觸頭和電刷磨損，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，既無刷化（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)的一個重要發(fā)展方向，也是當(dāng)前我國電機(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)中采用的無刷勵磁雖然取消了滑環(huán)和電刷，但并未使電機(jī)的到簡化，而是將勵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)無刷化，但是由于其勵磁不能調(diào)節(jié)從而限制了它的應(yīng)用范圍。目前在國民經(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)。而大中型異同步無刷通用交流電機(jī)具有廣闊的市場。無刷雙饋調(diào)速電機(jī)從根本上解決了無刷化問題，除了無刷可靠外，該類電機(jī)的另一個特點(diǎn)是兼有籠型、繞線式感應(yīng)電機(jī)和電勵磁同步電機(jī)的共同優(yōu)點(diǎn)。通過簡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、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特性，又具有優(yōu)良的

30、運(yùn)行性能。1.3.4 無刷雙饋電機(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，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)行工況對發(fā)電機(jī)的可靠性提出了很高的要求。近年來，將繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)用于交流了勵磁發(fā)電機(jī)的研究工作已引起國內(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)。無刷雙饋電機(jī)作為交流勵磁發(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磁，根據(jù)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率便可實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，通過改變

31、勵磁電流的幅值和相位可以實(shí)現(xiàn)無功調(diào)節(jié)。因此在水力和風(fēng)力變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，無刷雙饋電機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。在我國，已經(jīng)將“交流勵磁變速發(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，在對無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，也是無刷雙饋電機(jī)一個很有發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域。上述應(yīng)用展示了無刷雙饋電機(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)同時嵌有兩套對稱的三相繞組，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。但與串級聯(lián)接的兩

32、臺感應(yīng)電機(jī)相比，體積要小得多。在無刷雙饋調(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格的下降，仍能使這個系統(tǒng)的成本大大降低。第二章 無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的原理無刷雙饋電機(jī)定子上有兩套不同極對數(shù)繞制的繞組,分別流過不同頻率的三相對稱電流,氣隙中存在幾種不同極對數(shù)的磁場，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)換過程。本章首先簡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)生兩種不同極對數(shù)的磁場。從理論上講，這種要求可以通過以下集

33、中方法來實(shí)現(xiàn)：1、獨(dú)立的定子繞組：在定子上安排兩套分別對應(yīng)于兩種不同極對數(shù)的繞組；2、多并聯(lián)支路單套繞組：定子繞組每相有三個或三的倍數(shù)個并聯(lián)支路，通過內(nèi)部對不同相支路的連接，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并聯(lián)通路，通過對每相一半繞組中的電流反相來得到另一種極數(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)過程中有很大的局限性,本文就根據(jù)方案1、2把無刷雙饋電機(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、中引出兩個端口(如3Y),從不同端口看進(jìn)去時,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起到了主、副繞組的作用。兩種不同頻率的電流同時流入不同的端口時,在電機(jī)內(nèi)形成不同極數(shù)、不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場。設(shè)計(jì)的單定子繞組對于極和極必須是各自對稱的。對于單定子繞組的無刷雙饋電機(jī)來說，一套定子繞組應(yīng)有6個出線端，分別作為工頻和變頻電源的入口，當(dāng)兩個端口同時供電時，回產(chǎn)生兩個獨(dú)立的、不同極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場。為了是兩個電源互不干擾，由功率繞對極旋轉(zhuǎn)磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，應(yīng)在對極控制繞組的3個出線端之間不出現(xiàn)電勢差，以避免控制端口通電時引起工頻電源的附加電流；同理，有控制繞組對極旋轉(zhuǎn)磁場在定子繞組中產(chǎn)

35、生的感應(yīng)電勢也應(yīng)在對極功率繞組的出線端間不產(chǎn)生電勢差，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，須同時兼顧兩種極對數(shù)下消弱不必要的諧波的要求。根據(jù)這個原理，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36槽（6+2）極的無刷雙饋電機(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)去時呈現(xiàn)2極，從ABC端口呈現(xiàn)6極。圖2.1 36槽（6+2）極的無刷雙饋電機(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獨(dú)立繞組的方式。也是無刷雙饋電機(jī)在定子繞組設(shè)計(jì)中最為簡單的一種方法。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)籠型無刷雙饋電機(jī)中不同極數(shù)定子磁場和之間的耦合是通過轉(zhuǎn)子磁勢波的調(diào)制作用實(shí)現(xiàn)的，提升轉(zhuǎn)子磁勢中有用的和次諧波分量，同時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)子會同時產(chǎn)生兩個極對數(shù)分別為和對極的磁場，滿足

37、對定子磁場的極對數(shù)轉(zhuǎn)換。但從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度來看，按此原則設(shè)計(jì)出的一些實(shí)用和對極組合，轉(zhuǎn)子所對應(yīng)的導(dǎo)條數(shù)太少，轉(zhuǎn)子槽漏抗將很大，同時會出現(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，這樣在保證無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行原理對轉(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。由于無刷雙饋電機(jī)具有自起動性能，因此不需要在轉(zhuǎn)子上裝設(shè)起動籠

38、。總的說來，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)的磁動勢可以在任何方向上隨意流動。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短路線圈，定子磁動勢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勢極數(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極磁動勢提供通路，是一個純粹的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。無論那種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其作用均是通過“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)的氣隙磁場得以調(diào)制，在已查閱到的有關(guān)無刷雙饋電機(jī)的國內(nèi)外文獻(xiàn)中，這幾種轉(zhuǎn)子均有采用，但#1、#3和#4號轉(zhuǎn)子用的較多。圖2.2 無刷雙饋電機(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，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，主副繞組中不同頻率的電流將在電機(jī)中形成兩個不同極數(shù)、不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場時處于兩種極數(shù)磁場下的轉(zhuǎn)子槽電勢矢量圖如圖2.3所示。在圖2.3中，外環(huán)是相對于定子4極磁場的轉(zhuǎn)子槽電勢矢量，內(nèi)環(huán)是相對于定子8極磁場的轉(zhuǎn)子槽電勢矢量。內(nèi)外環(huán)上的矢量按相反方向編號是考慮到不同極數(shù)的兩個定子磁場相對于轉(zhuǎn)子按相反的方向旋轉(zhuǎn)。用黑體（加粗）標(biāo)識的槽電勢（1，7，13，19，25，31）表示8極和4極磁場在這些導(dǎo)條中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢在任何瞬時都方向一

41、致，所以這6個導(dǎo)條可以形成共用籠條。在兩個鄰近導(dǎo)條（如1和7）之間的導(dǎo)條（即2，3，4，5，6），無論對于8極還是4極磁場，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)條可以簡單地聯(lián)接成同心式短路線圈，對于8極和4極磁場這些短路線圈的作用是相同的。合成矢量的位置相對于8極是+,相對于4極是-，這與兩個磁場相對于轉(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。正好處于兩個鄰近導(dǎo)條中間的導(dǎo)體（標(biāo)號帶方框的4，10，16，22，28，34），其8極和4極槽電勢矢量恰好方向相反，因此在這些槽中的導(dǎo)體不會起到有效作用，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）極無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子槽電勢矢量（轉(zhuǎn)子槽數(shù)為36）圖2.4 （8+4）極無刷雙饋電機(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，副繞組中電流產(chǎn)生極磁場，在某一特定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子繞組切割這一磁場后在其各槽導(dǎo)體中產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，由這些電流所產(chǎn)生的磁場也正好滿足在極繞組中產(chǎn)生同頻率速度電動勢的需要，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、副繞組的磁場作用，其主要的理論依據(jù)是p、q對極磁場在同心線圈產(chǎn)生同相位電勢，這些線圈得以利用，但去掉了電勢不同相的導(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)效率及過載能力低。單一極的對數(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、副繞組磁場的關(guān)系。那么繞線型轉(zhuǎn)子將大大改善無刷發(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)繞組理論對對p和q兩種極對數(shù)選擇、磁勢相對轉(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單是三相電機(jī)中性能最好的繞組。用對稱軸線法換向變極。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：由此畫出按2極相位排列的6極三相槽號表和變后極的三相相位圖： 變前極每相三段槽號為：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)無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組基本思想仍源于由兩臺轉(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“來復(fù)利用”，使得同一套繞組對兩種極數(shù)既能感應(yīng)電勢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，筆者提出可用于無刷雙饋電機(jī)的“變級”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3Y并聯(lián)接法換相變極繞組有分為兩組的6個出現(xiàn)端，每組3個出線端，標(biāo)記為pa、pb、pc和qa、qb、qc,分別對應(yīng)p對極和q對極，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對極；反之，如果在出險端qa、qb、qc，接如三相電源，出線端pa、pb、pc懸空，則呈現(xiàn)q對極?，F(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)定子上放置有極對數(shù)分別為p和q的兩套三相繞組時，若將極對數(shù)為p的定子繞組接電網(wǎng)電源，轉(zhuǎn)子繞組因?yàn)槌鲭U線端pa、pb、pc和qa、qb、qc反相序聯(lián)接，這時在定子p對極旋轉(zhuǎn)磁場下感應(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對極旋轉(zhuǎn)磁勢外，還因注入到出線端qa、qb、qc使轉(zhuǎn)子

48、繞組產(chǎn)生相對p對極反相旋轉(zhuǎn)的q對極磁勢。同樣，當(dāng)極對數(shù)為q定子繞組接入變頻電源時，轉(zhuǎn)子繞組也既能產(chǎn)生q對極旋轉(zhuǎn)磁勢，又能產(chǎn)生反相旋轉(zhuǎn)的p對極旋轉(zhuǎn)磁勢。這樣，當(dāng)極對數(shù)為p的定子繞組接電網(wǎng)電源，同時在極對數(shù)為q的定子繞組接入變頻電源，兩套定子繞組通過轉(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)子繞組同時產(chǎn)生p和q對極這兩個旋轉(zhuǎn)方向相反磁勢的機(jī)理是有所不同的，通?；\型轉(zhuǎn)子繞組的p和q對極磁勢是相同導(dǎo)體中流過電流產(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、種極對數(shù)的磁勢。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，同時產(chǎn)生的極對數(shù)p和q只能是倍極比的關(guān)系，而繞線型轉(zhuǎn)子繞組的極對數(shù)p和則是可以任意選擇的；籠形轉(zhuǎn)子繞組無論是對于極對數(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)子繞組諧波磁勢計(jì)算模型3.1 “安導(dǎo)波”的概念及其與磁勢的關(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，因而沿氣隙周圍分布著磁勢。所謂氣隙周圍某點(diǎn)的磁勢就是指該點(diǎn)的氣隙磁壓降。我們把這種磁勢稱為繞組磁勢。電機(jī)繞組的中心內(nèi)容就是研究繞組磁勢的分布、變化規(guī)律及其相對大小。 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，沿氣隙周圍

51、就出現(xiàn)了電流層。所謂“安導(dǎo)波”就是來描述這個電流層的分布情況。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。這時每個槽產(chǎn)生的安導(dǎo)波變成一個脈沖函數(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)取氣隙圓周上磁場強(qiáng)度為零的一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。通過原點(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，在假定鐵心的相對磁導(dǎo)率為無窮大，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，用符號表示。這樣可得磁勢波和安導(dǎo)波之間的關(guān)系為 （3-1） 圖3.1 磁勢和安導(dǎo)的關(guān)系3.2 單根導(dǎo)體的磁勢計(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)波和磁勢波，就可以進(jìn)一步得出整個繞組的安導(dǎo)波和磁勢波。 首先我們來求單根導(dǎo)體的安導(dǎo)波（這里所說的單根導(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，并通過電流（瞬時值，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)把該波分解為兩個分量：一是沿周圍的平均值（圖3.2b中的虛線），另一個是圖3.2c）所示的曲線。其中，平均值對整個周圍來說是一個常數(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)的同一個端部出線，當(dāng)沿繞組首端至末端行進(jìn)時，由某

54、一導(dǎo)體進(jìn)入，必從另一導(dǎo)體出來，因此所有導(dǎo)體電流瞬時值的代數(shù)和必為零。這就是說從整個繞組來看，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)波時可以不考慮常數(shù)分量，并不影響對整個繞組的分析結(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，按傅立葉級數(shù)展開的單根導(dǎo)體的安導(dǎo)波式中表示諧波的極對數(shù)，即=1的諧波波長等于整個圓周。在下面的分析中，我們用來表示相對于基波的“次數(shù)”，即，次諧波的極對數(shù)為。本文中的“對極諧波”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，則故得（3-3）由式（3-1）和（3-3）可得單根導(dǎo)體的磁勢波（3-4）3.3 單個線圈的磁勢計(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”，對這種繞組，以線圈為基本單元來分析繞組較為簡單。圖3.3 單個線圈的安導(dǎo)波設(shè)有匝數(shù)的單個線圈嵌于相距（弧度）的兩個槽中，如圖3.3a）所示。則當(dāng)電流（瞬時值，有正、負(fù)，以圖中所示方向?yàn)檎┩ㄟ^線圈時，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；。 由此可的整個線圈的安導(dǎo)波為故得單個線圈的安導(dǎo)波（3-5）式中的 （3-6）為對對極諧波說的線圈短距系數(shù)。. 已知安導(dǎo)波則從式（3-1）可得單個線圈產(chǎn)生的磁式波為省掉與無關(guān)的常數(shù)項(xiàng)，則表征磁勢諧波分量為 （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)在來證明式（3-8），證明如下：因?yàn)?，所以，即的出式?