基于转子绕组呈弓形规律对称分布同心式结构的无刷双馈发电机的设计与研究*

夏 冰，陈 鹏，李浩源，刘 沁

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009)

0 引言

无刷双馈电机(Brushless Doubly-Fed Motor，BDFM)起源于串级连接绕线转子三相交流感应电机。这种电机是两个独立的定子和同轴的两个转子经过适当的连接改进，取消了电刷和滑环结构，并且有良好的低速运行和起动性能，是近几年国内外发展较为迅猛的一种新型交流感应电机。目前其研究主要集中在风力发电、水力发电和高压调速方面。在前人研究的基础上，本文对转子绕组采用弓形规律对称分布的无刷双馈发电机进行研究。该转子结构是一种基于磁动势式的绕线式转子绕组结构，绕组节距可以根据需要自由选择，且兼顾两种极对数，具有接线方式灵活多样，绕组系数高，谐波含量低等特点。以一台4/2对极2 kW轴无刷双馈发电机为例说明。

1 BDFM的结构

1.1 定子结构

BDFM的定子结构与普通异步电机的定子结构基本相同，主要差别在于BDFM含有两套定子绕组，有单绕组和双绕组两种结构。定子绕组在设计时应保证两套绕组中的电流在对方绕组出线端端口的合成电动势为零。用单绕组设计时，可以提高定子槽的利用率，从而提高铁心材料的利用率，但两套绕组较难同时得到较高的绕组系数。采用双绕组结构设计时，定子槽的利用率降低，定子槽散热变差，但两套绕组能相互独立进行设计，两套绕组容易得到理想的绕组系数。

1.2 转子结构

BDFM的转子绕组结构通常采用磁阻式或绕线式。磁阻式BDFM主要是利用电机力图使磁路磁导最大的调制效应进行设计。磁阻式设计的BDFM的容量很难提高，所以限制了BDFM在大规模风力发电、船用轴带发电等大功率场合的应用。基于变极法或齿谐波法设计的绕线式转子结构的BDFM不仅设计灵活，而且有效降低了磁场中的谐波成分。采用齿谐波法设计电机时，转子结构简单，绕组匝数和节距可以灵活选择，根据需要具体设计。

以本次试验样机为例，在齿谐波法的基础上，提出弓形对称分布的同心式绕线转子绕组结构，如图1所示。为了最大限度地减小高次谐波磁动势对电机性能的影响，试验样机采用了一种最大槽号组的转子线圈的匝数，按弓形对称分布的转子绕组设计方法:一个同心式线圈组中线圈匝数由内层向外层的变化规律是线圈匝数迅速增加，而后逐渐减少。按照这一方法，通过适当的调整线圈匝数和线圈跨距即可设计出低谐波同心式无刷双馈发电机。不同转子结构设计的无刷双馈电机磁动势谐波分析见表1。

图1 转子绕组36槽4/8级接线方式

表1 试验样机谐波分析

由表1可看出，采用弓形对称分布的同心式绕线转子绕组设计的BDFM可以非常好的实现对功率绕组和控制绕组的耦合，且气隙磁密谐波含量较低。由于相串联的绕线式转子绕组的绕组系数不因励磁磁场极对数的不同而改变。因此，绕线转子BDFM转子采用同心绕线式相串联设计是一种非常理想的转子绕组设计方法。

2 BDFM的稳态仿真研究

利用Ansoft软件的场分析和后处理可以得到一系列的电机稳态运行曲线。BDFM在稳态运行条件下，电机整体磁密都在较理想的范围内，电机磁路对称，没有发生明显的畸变。图2给出了电机整体磁密分布图，图3给出了BDFM定子轭部切向和径向磁密波形。电机在外加三相电阻负载阻值为160 Ω的情况下，其功率绕组A相反电势波形和电流波形分别如图4和图5所示。反电势波形和电流波形均为正弦分布，故输出电能质量比较理想。

图2 控制绕组电流为10 A时的磁场分布图

图3 轭部切向和径向磁密波形

图4 功率绕组A相反电势波形

图5 功率绕组A相电流波形

3 样机试验分析

3.1 样机参数

样机以YZR315电机为参照，定、转子铁心均按照无刷双馈发电机的要求设计。样机硅钢片型号为ww800。样机由专业电机厂制造，参数见表2。无刷双馈发电机通过转矩仪与异步电机连接。功率绕组出线端与负载电阻相连接。控制绕组出线端接在课题组自行研制的双向变频器输出端。变频器的进线端根据需要可以直接连电网，也可以与功率绕组的出线端相连接。

表2 试验样机参数

3.2 试验结果分析

图6 无刷双馈发电机运行特性

试验中无刷双馈发电机由异步电机带动运行在额定转速上。待电机运行稳定时，测量BDFM的运行特性。稳态下，无刷双馈发电机的发电特性如图6所示。从试验结果可得出，由于转子绕组采用了弓形规律对称分布，整个电机谐波含量很低。因此，在保证电机磁场不饱和的情况下，功率绕组带载发电时线电压波形较好，电压谐波畸变率低。

4 结语

本文主要对基于转子绕组呈弓形规律对称分布的同心式结构无刷双馈发电机进行了详细分析和研究。本次试验样机转子绕组采用了呈弓形对称分布的6相绕线式结构，有效减少了电机的高次谐波分量。试验样机的仿真结果和试验波形较理想地反映了BDFM在稳态运行时的电磁特性，为电机的进一步研究提供了较强的理论依据。

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