绕线型无刷双馈电机的绕组设计*＊

宋运雄，彭晓，刘万太

(1 湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412008;2 湖南工程学院电气与信息工程学院，湖南湘潭411101;3 湖南电气职业技术学院电气工程系，湖南湘潭411100)

0 引言

无刷双馈电机(Brushless Doubly-fed Machines简称BDFM)是在自级联异步电机的基础上发展起来的一种异同步通用的新型交流调速电机，其定子上有两套极对数不同的功率绕组和控制绕组，它取消了电刷和滑环，通过转子的磁动势谐波对定子不同极对数的旋转磁场进行调制，进而实现电机的机电能量转换。当功率绕组和控制绕组同时供电时，定子绕组中将产生两个独立的不同极对数的旋转磁场，为使两个电源互不干扰，功率绕组pp对极旋转磁场在定子绕组中产生的感应电势，应在控制绕组pc对极绕组的三个出线端(控制端口)间无电势差;当控制端口通电时，就不会引起工频电源的附加电流;同理要求控制绕组pc对极旋转磁场在定子绕组中产生的感应电势，也应在功率绕组pp对极绕组的三个出线端(功率端口)间无电势差，这样设计的定子绕组，可达到两个电源彼此独立、且无电功率的直接传递、同时又能控制双馈电机转速的目的。绕线转子结构的无刷双馈电机接线灵活，可以通过合理的设计来提高两种基波极对数的绕组系数，同时削弱甚至消除其他谐波，从而克服了特殊笼型转子的固有缺点，并可望获得更好的性能。本文对绕线转子结构的无刷双馈电机的定子绕组和转子绕组的设计理论进行了论述，并结合实例给出定子绕组和转子绕组具体不同的设计方案，并对方案进行了具体的环流分析和验证。

1 定子双套绕组的设计

1.1 绕组方案的确定

定子双套绕组设计步骤如下

(1)画出功率绕组的槽号相位图，并按要求确定相属;(2)画出控制绕组的槽号相位图，并按要求确定相属;(3)划分线圈组，把确定的线圈组放到对方对应的槽号相位图下面，并分析绕组的环流情况及互感产生情况，进而确定绕组接法。

以54 槽6/2 极为例，其6 极和2 极的单极槽号相位图如图1 所示。

图1 54 槽6 极和2 极的单极槽号相位图

由于三相绕组是对称的，故只要研究其中一相(例如A 相)就可以了，其他两相可以根据对称性求出(下同)。这里我们假定功率绕组为60°相带绕组，采用的是2Y 接法，则此时A 相的6 个线圈组分别为:A1(1，2，3);A2(-10，-11，-12);A3(19，20，21);A4(-28，-29，-30);A5(37，38，39);A6(-46，-47，-48)，再把这六组分为两大组，每组三小组，如，A1、A3、A5 一组，A2、A4、A6 一组，于是得到其绕组线圈连接图如图2(a)所示。控制绕组采用的是正规120°相带绕组单Y 接法，同样得到其绕组线圈连接如图2(b)所示。

图2 54 槽6/2 极的绕组接线图

1.2 绕组环流及互感产生情况分析

定子功率绕组A 相的槽号相属在定子控制绕组两极下的分布情况如图3(a)所示。A1、A3、A5 三者之间电势互差120°，故得其合成电势为0;A2、A4、A6 三者之间的电势差也是120°，这样其合成电势为0，也即是按照图示接法。

定子功率绕组对定子控制绕组是没有互感电势产生的。同理，定子控制绕组A 相相属在定子功率绕组六极下分布情况如图3(b)所示，1 至9 的合成电势在5 的中间处，10 至18 的合成电势在14 的中间处，而5 和14 的电势互差(14-5)×360°/18=180°，这样两者的电势之和必为0，也即是按照图示接法，能保证定子控制绕组对定子功率绕组没有互感电势产生。

图3 定子绕组环流及互感产生情况分析图

2 转子单套绕组的设计

2.1 转子单套绕组设计步骤

变极法的原理主要是利用级联式无刷双馈电机转子两套绕组反相序串级联接的思想，它是将单绕组变极理论引入到转子绕组设计中，构成一个多相自闭合多支路回路的对称绕组结构，使得同一套绕组对两种极对数既能感应电势产生电流，又能作为对方的激磁源，这样便可强制产生两种不同极对数的旋转磁场。这里采用自并联法，所谓自并联法，就是将生成的2pp对极磁场的每相绕组用三条并联支路来构成，并从每相绕组中选取一条支路并联构成2pc对极磁场的一相绕组，这种接法属于多路并联，为了保证线圈间不产生环流，并联支路的选取要尽量保证使生成的磁场每相绕组产生的磁势幅值相等，相位差120°。同时，调整若干线圈的匝数，构成不等匝线圈，可使谐波含量大大降低，绕组利用率也得到一定程度的提高，分布因数也符合设计要求。具体设计步骤如下:(1)画出双极槽号相位图，并按照连接要求划分相带;(2)确定连接的9 段线圈组;(3)调整各线圈组中的线圈匝数比，使并联各支路的电势同相位同大小。

2.2 转子单套绕组设计实例

图4 36 槽6/2 双极槽号相位图

因为所采用的变极绕组连接方式为3Y/3Y，故对应每相每种极数下应有三条并联支路，也就是说要把图中取出的区域相位图再划分为三块，以分别构成相应的三条支路。并且对此区域相位图进行划分和选取所对应的槽号时，应尽量满足下面几条原则，以保证两种极对数下的方案均具有较高的分布因数:(1)划分后的三条支路的槽号分布对4p 应满足同相位同大小的原则，以消除3Y 并联时的环流，对4p 而言，因其水平方向分布的对称性则自然满足这个条件;(2)所得的三条支路的槽号分布对6p 应是三相对称平衡的，也就是说要互差120°电角度，且每支路槽号合成矢量大小相等;(3)在此区域划分所选取的槽号，在由对称性推得另外两相的槽号时，要满足槽号不重复选用的原则，以保证方案的工艺可行性;(4)尽量使三条支路的槽号分布对两种极对数均呈现相对集中的分布，以获得较高的分布系数。

为满足上面四条要求，可以在图5 中水平方向作三等分，这样的划分，对应于4p 便为60°相带，对应于6p 便为120°相带，这样划分后的三块分别构成了三条支路。此时三条支路对应于6p下的槽号分布情况均为(1，1，1，1)，括号里的数字表示处于6p 下同一电角度相位的槽号个数，它对单层绕组是线圈边数，对双层绕组是线圈个数，可见这时对6p 来讲，三条支路刚好满足先前的划分原则(2)。对应的三条支路在4p 下的槽号分布情况则分别为(2，1，1)、(1，2，1)、(1，1，2)，可见这时对4p 下的三条并联支路并未完全满足前述原则(1)。

图5 36 槽6 极A 相的槽号分析图(部分)

为此可通过选取不等匝线圈来获得同大小同相位的对应支路，从图中很容易知道，当将图中画虚线的几个槽号所代表的线圈的匝数加倍时，即可刚好满足前述的几条要求。这时对应于4p 下每条支路中各槽号的等效分布为(2，2，2)，这里括号内的数字对应着4p 下同一电角度相位下得总匝数的相对数，且三条支路的分布是完全相同的;对应于6p 下的等效槽号分布均为(1，2，2，1)，也即满足对6p 应为三相对称平衡的原则。分析表明，当选取节距为6 时，每槽槽满率相等，这在工艺上也是可行的。此时4p 采用60°相带，其基波分布因数为(1+2cos20°)/3=0.96，6p 为120°相带，其基波分布因数为(2cos15°+cos45°)/3=0.88。

显然，虽然6p 时线圈组分布在120°相带范围内，但是其基波绕组系数比120°相带等匝绕组要大(120°相带整距分布绕组的绕组系数是0.8295)。于是得到具体绕组方案如图6 所示，图中数字的上标表示相对匝数比。

图6 36 槽6/4 极3Y/3Y 接法的绕组接线图

3 转子双套绕组的设计

3.1 绕组方案的确定

对于转子双套绕组的设计，具体步骤与定子双套绕组的设计思路是一样的，下面以36 槽6/2 极为例来说明。根据它们的单极槽号相位图，假如6p 采用60°绕组的单Y 接法，2 极采用非正规120°相带绕组的单Y 接法，其具体接法如图7 所示。

图7 36 槽6 极和2 极`单Y 接法的绕组接线图

3.2 绕组的环流及互感产生情况分析

转子功率绕组A 相相属在转子控制绕组下的分布情况如图8(a)所示。设此时A 相的6 个线圈组分别为:A1(1，2);A2(-7，-8);A3(13，14);A4(-19，-20);A5(25，26);A6(-31，-32)。由图可知，A1、A3、A5 的电势大小相等，方向相差120°，这样A1、A3 和A5 的电势合成为0;同样，A2、A4、A6 的电势大小也相等，方向也相差120°，A2、A4、A6 的合成电势也为0，这样互感合成电势还是0，也即转子功率绕组对转子控制绕组没有互感产生。

图8 转子绕组的环流及互感产生情况分析

转子控制绕组A 相相属在转子功率绕组下的分布情况如图8(b)所示。设此时A 相的4 个线圈组分别为:A1(1，2，3);A2(7，8，9);A3(-22，-23，-24);A4(-28，-29，-30)。由图可知，A1 和A2 的电势大小相等，方向相差180°，也就是说A1和A2 的电势合成为0，同理A3 和A4 的电势大小也相等，方向也相差180°，A3 和A4 的合成电势也为0，这样互感合成电势还是0，也即转子控制绕组对转子功率绕组同样没有互感产生。另外对于这种转子采用双套绕线的BDFM 来说，除了要考虑定子两套绕组之间、转子两套绕组之间彼此独立外，定子对应绕组对转子异极绕组或者转子对应绕组对定子异极绕组也要彼此独立，这样能更好地减少互相之间的干扰，以54/36 槽6/2 极为例，如图8(c)所示。

4 结语

绕组设计是无刷双馈电机设计的关键，本文介绍了绕线型无刷双馈电机的设计思路和方法，并经过比较，从中选择了最优方案。用这种思路设计的绕组方案，不会在并联支路中产生环流，不会在对方绕组中产生互感电势，这样就禁止了功率绕组和控制绕组直接的电功率传递，从而提高了转子对应绕组的极数转换器作用，提高了无刷双馈电机的工作效率和可靠性。绕线型BDFM 的单双套绕组方案，各有其特点，在实际应用中到底选用何种方案，需根据工厂工艺等实际情况加以分析比较后做出正确的选择。

［1］ Wallace A.K，Spee R，Alexander G.C.The brushless doubly-fed machine:Its Advantages，applications and design methods［J］.Electrical Machines and Drives Conference，1993，376:511-517.

［2］ 许实章.交流电机的绕组理论［M］.北京:机械工业出版社，1985.

［3］ 彭晓，石安乐，李永坚.无刷双馈电机定子绕组的设计［J］.电机与控制学报，2003.

［4］ 熊飞，王雪帆，张经纬.绕线转子无刷双馈电机的工作原理及绕组设计［J］.湖北工业大学学报，2010(25).

［5］ 邓先明.无刷双馈电机的电磁分析与设计应用［M］.北京:机械工业出版社，2009:103-135.