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无刷双馈电机耦合能力研究与仿真软件开发 r e s e a r c ho nc o u p l i n gc a p a b i l i t yo f b r u s h l e s sd o u b l yf e dm a c h i n ea n d d e v e l o p m e n to f s i m u l a t i o ns o f t w a r e a b s t r a c t b r u s h l e s sd o u b l yf e dm a c h i n e0 3 d n oi san o v e la cm a c h i n e ，w h i c hh a sl o t so f a d v a n t a g e s i tc o u l do p e r a t ei nd o u b l yf e dm o d ew i t h o u te l e c t r i c a lb r u s h t h eb d f m n e e d s s m a l l e rc o n v e r t e ri nc a p a b i l i t yb e c a u s et h ep o w e ro ft h ec o n v e r t e ri ss l i pp o w e r ，t h e r e f o r e ，i t r e d u c e st h es y s t e mc o s t t h em u l t i - p o l eb d f mh a sh i g h e rr e f i a b i l i t yb e c a u s eo fi g n o r i n gt h e g e a r b o x b u tt h eb d f m h a ss e v e r a ld i f f i c u l tp r o b l e m s ，t h ew e a k e rc o u p l i n ge a p a b i l i t yr e s u l t s i nl o w e rp o w e rd e n s i t ya n do p e r a t i o np e r f o r m a n c e ，t h ei r o nl o s sd i f f i c u l tt oc a l c u l a t ec u r r e n t l y ， a n dt h el a c ko ft h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o ns o f t w a r ew h i c hi ss i m p l ea n dc o n v e n i e n t t h e s e p r o b l e m sa b o v e m e n t i o n e da r es t u d i e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , u t i l i z e st h ew i n d i n gf u n c t i o nm e t h o db a s e do nm a g n e t i cm o t i v ef o r c ea n d c o n d u c t a n c e ，t h ei n d u c t a n c ep a r a m e t e r so ft h eb d f mw i t ha x i a l l yl a m i n a t e da n i s o t r o p i c ( a l a ) r e l u c t a n c er o t o ra r ec a l c u l a t e d b ym o d i f y i n gt h e s ed e s i g np a r a m e t e r s ，p o l en u m b e r s , p o l ec o m b i n a t i o n sa n dp o l e - a r ef a c t o ro ft h ea l ar o t o r , t h ec o r r e s p o n d i n gi n d u c t a n c e p a r a m e t e r sc a l lb ec a l c u l a t e d t h ee f f e c t so f t h ed e s i g np a r a m e t e r so nc o u p l i n gc a p a b i l i t ya r e s t u d i e db ym e a n so f t h e s ei n d u c t a n c ep a r a m e t e r s t h ec o n c l u s i o n sc a l lb ed r a w nt h a tt h el a g e r p o l en u m b e r sa n dc l o s e rp o l ec o m b i n a t i o n sa n da p p r o p r i a t er o t o rp o l e - a r cf a c t o rc o u l da u i m p r o v et h ec o u p l i n gc a p a b i l i t yo ft h eb d f m u n d e rt h ec o n s i d e r a t i o no ft h eb d f md e s i g n p r i n c i p l e s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h eb d f m ，( 1 2 + 8 ) - p o l e b d f mc a nb ed e s i g n e d , t h ee l e c t r o m a g n e t i s md e s i g ni sv e r i f i e db yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 皿ef i n em o d u l a t i n gf u n c t i o no ft h em u l t i - p o l er o t o ri sr e s e a r c h e di nt e r m so ft h et r a n s i e n t m a g n e t i cf i e l da n a l y s i s ，a n dp r e l 幽r yc o n c l u s i o ni sd r a w nt h a ta l a r o t o rc a nb er e p l a c e d b yc o m m o ns a l i e n tp o l er o t o rw h e ni t i s m u l t i - p o l e 1 1 埔n o - l o a di r o n l o s si nd i f f e r e n t o p e r a t i o nm o d ec a nb e a l s oc a l c u l a t e db yt h et r a n s i e n tm a g n e t i cf i e l da n a l y s i s f i n a l l y t h ep a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na n dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o np r o g r a ma i m p r o v e d , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep r o t o t y p ei ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ew h i c ht h e i n t e r f a c ei sf r i e n d l y , t h eo p e r a t i o ni ss i m p l ea n dt h ec a l c u l a t i o ni sr a p i di sw o r k e do u t t h e i i 沈阳工业大学硕士学位论文 s o f t w a r eh a sn o to n l yc o m p l e t e dp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o nf o rt w ot y p e so ft h er o t o rs t r u c t t t r e ， b u ta l s of i n i s h e ss e v e r a ls i m u l a t i o n si n c l u d i n gt h es e l f - t r i g g e r e da n da s y n c h r o n o u so p e r a t i o n , s y n c h r o n o u so p e r a t i o na n dd o u b l yf e da d j u s t a b l eo p e r a t i o nm o d e e t c t h ep a r a m e t e r so ft h e b d f mc o u l db ea l li n p u tf r o mt h ei n t e r f a c e ，t h e nt h ep a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n r e s u l t sa r es h o w ni nt h eo u t p u ti n t e r f a c eb yf i g u r ea n dc o u l da l s ob ed e r i v e dc o n v e n i e n t l y t h es o a r ei ss u i t a b l ef o re v e r y o n ew h om a yn o tk n o wt h em a c h i n es i m u l a t i o n t h e r e f o r e , i tc o u l dp r o v i d et h ec o n v e n i e n c ef o rt h ef u r t h e rs t u d ya n dp o p u l a r i z a t i o na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd o u b l yf e dm a c h i n e ，c o u p l i n gc a p a b i l i t y ，e l e c t r o m a g n e t i s m d e s i g n ，s i m u l a t i o ns o f t w a r e i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：j l 缉日期：型哆生芷益 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：t 缉导师签名：驷日期：j = 丝 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 交流电机作为能量转换装置，广泛应用予工农业生产中。各种不同结构的电机具有 各自的优势：普通笼型转子感应电机具有结构简单、运行可靠、成本低廉和适用范围广 ( 各种场合) 等特点；绕线转子感应电机具有起动电流和起动转矩可控、可实现串级和 双馈调速等优点；电励磁的同步电机与感应电机比较，又具有转速稳定，效率高及功率 因数可调的优势。 目前大量应用的同步电机和绕线式感应电机仍采用有刷结构，它们通过电刷和滑环 来实现转子绕组与外部控制电路的连接。由于滑动接触和电刷磨损，不仅降低了电机的 运行可靠性，而且电刷需要定期维护和更换，增加了运行费用。此外，滑动接触容易产 生火花，从而限制了有刷电机在含有易燃和易爆气体环境中的应用。因此，无刷化是交 流电机的发展趋势。 近年来，随着电力电子、微电予和计算机技术的进一步发展，交流调速技术及其系 统得到了广泛的应用。在一些工业生产领域，如发电厂和钢铁生产企业中，水泵和通风 机等负载机械面广量大，在这些负载中采用交流变频调速节能装置替代阀门、挡板调节 流量，可获得良好的节能效果。但是，在风机水泵类负载中普遍采用交流变频调速，目 前存在的主要问题是变频器的成本较高( 特别是大功率电机系统) ，因此，如何降低所 需变频器容量进而降低系统成本成了在更大范围内推广变频节能技术的关键所在。 在大型的水力、风力发电系统中，增速箱被广泛使用；在电梯等场合，得需要减速 箱。其原因就是电机的同步转速较高。变速箱的使用会给系统造成诸多不利，不仅会增 加噪音和磨损，降低系统运行的可靠性，而且会增加系统整体的成本。解决的重要方式 就是实现直驱，直驱的有利之处还体现在整体效率高、可靠性高、降低机组整体重量以 及大大减少维护。由于以上优点，研制一种同步转速较低的电机，设法省去变速装置， 意义重大。 多极数的无刷双馈电机，能够避免上述的缺点：去掉了电刷，省去了变速装置，以 及降低了所需要的变频器容量。因此该类型电机在变速恒频风力发电系统或交频调速系 无刷双馈电机耦合能力研究与仿真软件开发 统中具有良好的应用前景。 无刷双馈电机定子上嵌有不同极数的两套绕组( 称为功率绕组和控制绕组) ，转子 起着“极数转换器”的作用，两套定子绕组通过转子的耦合作用，实现机电能量转换。 工作时功率绕组直接接电网，控制绕组通过变频器与电网相连，通过调节变频器可实现 变速恒频发电或者交流调速。 多极数无刷双馈电机非常适用于变速恒频风力发电系统。与目前广泛应用的交流励 磁双馈发电机( 有刷双馈发电机) 相比，去掉了电刷和滑环，进一步提高了运行的可靠 性，方便了检修和维护；固有的高极数可使发电机的同步转速较低，因而可望省去增速 箱，这在很大程度上提高了运行的安全性和可靠性。与永磁同步风力发电机相比，流过 变频器的功率只占发电机容量的3 0 0 , 4 左右，从而降低了所需变频器的容量，进而降低了 成本。变速恒频无刷双馈风力发电系统，还能够在矢量控制策略下实现有功、无功的灵 活控制；通过调节励磁，在转速变化的情况下保证输出电能的质量，由于输出侧不经过 变频器而直接接电网，因此电能质量更好：另外，通过调节励磁电流的相位，能改变机 组的功率角，提高机组运行的稳定性，并实现无功功率的调节，能够对电网进行无功补 偿。 多极数无刷双馈电机用作电动机，等效于一台2 切q ) 极的普通感应电动机。在相 同中圆直径的情况下，多极数无刷双馈电机与普通感应电动机相比，极数可提高一倍， 因而更能实现低速，进而省去容易发生故障的减速箱；由于通过控制绕组的是转差功率， 因此所需要的变频器容量低，这不仅能够节约成本，而且能够减少大容量变频器所产生 的谐波影响。通过定子侧的控制绕组实现调速，不需要电刷。功率因数可调，可以提高 调速系统的力能指标；电机的运行转速仅与功率绕组和控制绕组的频率及其相序有关， 而与负载转矩无关，因此电机具有硬的机械特性；因此，多极数无刷双馈电机在低速大 扭矩场合有着广阔的应用前景。 综上所述，无刷双馈电机做成多极数，将非常适用于风力发电系统和低速大扭矩调 速系统，因此对该类型电机的研究，有着重要的科学意义和推广应用价值。 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 无刷双馈电机的研究现状 1 2 1 无刷双馈电机的发展 无刷双馈电机是由串级联接感应电机发展而来的，串级感应电机是将两台绕线式感 应电机同轴串级连接而成。这种方法首先由美国的s t e i n m e t z 和德国的g o r g e s s 在1 8 9 3 年独立提出1 1 1 。二十世纪二十年代，h u n t 提出了一种自串级感应电机理论，将两台同轴 串级联接的绕线转子感应电机合并成具有单一转子绕组和单一定子绕组( 具有不同极数 的两个出线口) 的一台电机，这样实现了无刷【2 j 。后来g r e e d y 对h u n t 所设计的定转子 绕组做了某些改进，使自串级无刷双馈电机的发展向前推进了一步，然而，由h u n t 和 g r e e d y 所设计的转予是双层的，具有不规则的分布，并且对电机的极数配合限制也非常 严格，使该种电机的工艺复杂，成本较高，从而限制了它的推广应用。到七十年代， b r o a d w a y 等人对h u n t 所设计的自串级感应电机进行了较大改进，简化了电机转子绕组， 并使定、转子绕组的极数配合范围也有所扩大，展示了该电机应用于生产的可能性【3 】。 八十年代中期，h e y n e 和e 1 a n t a b l y 在自串级感应电机的基础上，提出了一种双励磁磁 阻电机并公布了样机的实验结果，提出了利用新型磁阻转子结构代替绕线式转子，从而 使电机的性能指标得到了较大的提高，这一结果展示了无刷双馈电机的可行性和应用前 景，再次引起了国内外学者对该电机的关注【4 】。 1 2 2 无刷双馈电机的国内外研究现状 近二十几年来，美国w i s c o n s i n 大学、o h i o 州立大学、o r e g o n 州立大学等许多高等 学校和科研机构对无刷双馈电机进行了深入研究。国外对无刷双馈电机的研究已从电机 结构的改进阶段，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，开始寻求适用于无刷双馈 电机的控制方法，从而使它进入实用化的阶段。但总的看来，无刷双馈电机尚处于应用 基础研究阶段，还未普遍推广应用。国内研究无刷双馈电机起步较晚，从九十年代开始， 才有一些大专院校( 如沈阳工业大学、浙江大学、湖南大学等) 和一些科研机构对无刷 双馈电机进行此方面的研究【5 】。国内研究的无刷双馈电机并未应用到实际生产中，电机 本体设计和控制系统还有许多问题需要继续探讨，因此进一步研究无刷双馈电机非常重 要。 图1 1 显示的是笼型转子无刷双馈电机的结构图嘲 无刷双馈电机耦合能力研究与仿真软件开发 图1 1 笼型转子无刷双馈电机 f i 晷1 1b r t t s h l e s sd o u b l yf e dm a c h i n ew i t hc a g er o t o r ( 1 ) 极数选择与匹配 无刷双馈电机转子的极数选择与定子有关，转子极对数可以选择两定子极对数之和 ( 和调制) ，也可以选择两定子极对数之差( 差调制) ，当采用“和调制”方式时，电 机的电磁功率为两定子绕组提供的电磁功率之和，可以获得较大的起动转矩，而且相比 之下，“和调制”方式电机具有较好的特性，故文献中多数采用“和调制”方式i ”。 国内外对无刷双馈电机极对数选择的研究比较深入，在两定子极对数之和确定的情 况下，功率绕组和控制绕组极对数之比大小将影响到电机谐波的强弱，电机的振动和噪 声。以及损耗的大小。两定子绕组极对数不能相等，这样才能保证定子两绕组基波磁场 不交链；定子两极对数之比的最简式中一奇一偶可使各次谐波不互相交链；定子两极对 数之差至少是2 ，差的越多越能降低电机的振动和噪声嘲。从电机负载损耗的角度考虑， 则希望定子两绕组极对数接近才好1 9 1 。文献 1 0 1 针对几种不同极对数的无刷双馈电机， 运用通用的分析模型，对比研究了它们的动态特性和静态特性。 因此，选择极对数应权衡各个方面，发挥转子“极数转换器”的作用，找到最优齿 槽配合方案，充分提高无刷双馈电机的效率。文献资料中关于无刷双馈电机极数选择研 究主要集中在少极数，对多极数( 如1 0 0 极以上) 研究很少，而且仅仅局限于定性分析。 ( 2 ) 定转子结构 无刷双馈电机定转子的能量传递是通过气隙磁场的有用谐波来实现的，与此同时还 存在着其它次不希望的谐波。可通过绕组设计，合理选取定子绕组排列，为有用谐波磁 沈阳工业大学硕士学位论文 场提供最佳通路，使其在定子绕组中产生与该绕组电流同频率的反电势，而其它次磁场 谐波在电机绕组中产生的电动势和电流尽可能的小，以减少附加损耗。选择合理的转子 结构，更好的发挥转子“极数转换器”的作用，产生尽可能大的电磁转矩，提高电机的 功率密度( 单位体积的出力) 及其性能指标。 文献【1 1 1 7 】研究了无刷双馈电机定转子设计的几种有效方法。定子绕组的设计注意 的是绕组生成不同极数磁场时可能出现的环流问题，定子绕组中会感应高次谐波电动 势，主绕组和副绕组会在对方绕组中直接感应出互感电动势，这些高次谐波电动势和直 接的互感电动势会增加电机的电磁损耗。 文献【1 1 】依据无刷双馈电机定子绕组的设计原则和方法，利用双极槽号相位图和单 极槽号相位图对具体定子绕组进行了设计和分析。设计出的无刷双馈电机定子的单套或 双套绕组方案，能保证在主绕组和副绕组的两种极数下各并联支路感应电动势褶等，不 会在并联支路中产生环流。同时在两绕组中不会产生互感电动势，能保证定子绕组各支 路感应电动势相等以及其它电气性能要求，从而保证了无刷双馈电机的运行性能及可靠 性，对无刷双馈电机设计具有一定的指导意义。文献 1 5 1 在谐波分析的基础上，研究了 采用双层短矩式定子绕组和调整转子导条分布的方法来抑制高次谐波。 无刷双馈电机的转子分别与极数不同的两套定子绕组祸合，实现机电能量转换。转 子主要有两大类：笼型转子和磁阻转子。转子设计的合理与否直接影响到电机电磁转矩 的大小，影响到整台电机功率密度的高低及其性能指标的好坏。文献 1 7 1 对无刷双馈电 机常用的三种转子结构进行了分析，用二维有限元磁场分析软件( a n s y s ) 对不同结构 无刷双馈电机的气隙磁场以及各绕组间的自感和互感磁链进行了对比研究。分析表明： a l a ( a x i a l l yl a m i n a t e da n i s o t t o p i c ) 磁阻转子“极数转换器”作用明显，虽然制造工艺 比较复杂，但的确是无刷双馈电机较为理想的转子结构形式。文献 1 8 ，1 9 】给出了笼型转 子和轴向叠片磁阻转子的示意图，如图1 2 a 、b 所示。 总之，进行定转子结构的优化，其目的就是使定子两绕组通过转子实现更好的耦合， 减少不良谐波和损耗，提高能量传递的效率，进而提高整台电机的性能指标。学者对形 成不同极数磁场时产生的环流问题，以及如何抑制高次谐波问题的研究，都将对该种电 机的进一步研究提供帮助。 无刷双馈电机耦合能力研究与仿真软件开发 a ) 笼型转子 b ) 各向异性轴向叠片磁阻转子 图1 2 无刷双馈电机转子的示意图 f i g 1 2s c h e m a t i co f t h eb r u s h l e s sd o u b l yf e dm a c h i n er o t o r ( 3 ) 数学建模与特性仿真 对无刷双馈电机工作原理和机电能量转换机理进行分析，需要建立精确的数学模 型，进行特性仿真。国内外学者对此方面的研究较多。较早的文献对无刷双馈电机的数 学模型大都建立在线性化的基础上，这样得到的数学模型不很精确。在考虑了饱和、谐 波等影响后得出的数学模型才比较精确。例如文献【2 0 】将功率绕组、控制绕组和转子绕 组转换为同一频率，即进行了频率折算而得到稳态等效电路。但是如果再进一步，将功 率绕组、控制绕组和转子绕组进行绕组折算，想必会使等效电路更完善。文献【2 1 】所建 立的数学模型是考虑了气隙的高次谐波而得到的，并根据转矩和功率因数的影响对转子 进行了优化设计。动态性能需要详细的模型来分析，文献f 2 2 】通过考虑瞬态响应和内部 的谐波影响，利用有限元法对无刷双馈电机运行时定转子耦合所需要的谐波进行分析， 分析考虑饱和时磁场的非线性和集肤效应引起的非线性。其仿真结果与利用状态方程和 电机参数所得的结果一致。文献【2 3 】建立了无刷双馈电机的时步有限元数学模型，充分 考虑了电机饱和时的铁心损耗，将饱和系数引入到无刷双馈电机的数学模型，得到了较 为准确的数学模型。通过建立无刷双馈电机的数学模型，进行运行方式仿真，分析动态 特性和静态特性 2 4 - 2 7 。 对无刷双馈电机数学模型的建立，目前研究已经考虑到电机的谐波、饱和的影响， 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 并得到了较为精确的非线性的数学模型，进行有效的特性仿真。由于铁心损耗的非线性， 文献中有关铁心损耗计算方法的研究比较少，应用的方法和达到的准确度还不理想，还 需进一步探讨。 ( 4 ) 控制策略的研究 随着交流调速技术的迅速发展，对无刷双馈电机的控制策略研究也日趋深入，除了 通过优化无刷双馈电机的电磁设计以提高性能指标以外，还要寻求有效的控制策略和控 制方法，从控制方面提高无刷双馈电机系统的性能。 文献【2 8 】研究了无刷双馈电机的磁场定向控制策略，通过分别将功率绕组和控制绕 组建立在两套同步坐标系下，将无刷双馈电机分成两个独立的子系统，利用转子磁场定 向使电机获得较好的动态性能。文献【2 9 】采用了外加控制器的方法提高无刷双馈电机的 静态特性，选择一个相位超前补偿器，来提高电机的快速响应特性。由于无刷双馈电机 线性稳态模型不精确，因此这种控制方式对提高电机性能方面作用不明显。无刷双馈电 机可以采用合适的控制方法调节电机的功率因数，通过确定旋转坐标系下的气隙磁通， 实现无功功率和有功功率、转矩和无功功率的解耦控制 3 0 - 3 3 1 。文献 3 4 1 提出的控制策略 是对闭环转矩和磁通的控制，由于转矩和磁通不仅取决于控制绕组，还取决于功率绕组， 所以利用传统的磁场定向控制是不适用的。这种控制还能通过电压来估算磁通与转矩的 变化范围，增加电机的出力，以及具有快速的响应特性。 由于无刷双馈电机的特殊结构，传统感应电机的控制方法不能直接应用，因此需要 寻求系统完善的方法来实现无刷双馈电机的精确控制。 由查阅的文献可以看出，国内外对无刷双馈电机的研究比较深入，获得了许多有用 的成果：对无刷双馈电机运行机理介绍比较多，也比较详细；实现了对定转子进行优化 设计；能够建立比较准确的数学模型；能够利用数学模型进行参数计算和特性仿真；采 用有效的控制策略进行仿真。目前，无刷双馈电机突出的问题是功率密度低，性能指标 不高；尚未找到铁心损耗计算的精确方法。因此，对多极低速无刷双馈电机的研究不仅 要克服目前无刷双馈电机存在的突出问题，还要充分考虑多极数所引起的电机设计参数 的变化，进行合理的电磁设计。 无刷双馈电机耩合能力研究与仿真软件开发 1 3 论文的主要工作 针对目前无刷双馈电机的国内外研究现状，参考所在实验室前期宝贵的科研成 果，在辽宁省自然科学基金( 项目号：2 0 0 5 2 0 4 6 ) 的资助下，论文对多极数无刷双馈 电机进行了研究，其主要内容如下： ( 1 ) 广泛查阅国内外各种文献，对多极数无刷双馈电机基本运行原理和机电能量关 系进行深入的研究和探讨。 ( 2 ) 无刷双馈电机主副绕组的电感参数反映电机的耦合能力，论文利用绕组函数法 对无刷双馈电机的电感参数进行计算，对同一种机座号的电机设计成不同的极数，采用 同一类型的转子，分别针对几种不同设计参数进行电感参数的计算。根据所得到的电感 参数，分别研究了无刷双馈电机的极数、主副绕组的极数配合以及札a 磁阻转子的极 弧系数对电机耦合能力的影响。 ( 3 ) 在分析研究b d f m 设计原则的基础上，设计了一台( 1 2 + 8 ) 极b d f m ，利用有 限元分析软件对该电机进行了磁场分析，验证了电磁设计的合理性；通过瞬态磁场分析， 从磁场角度说明了多极数转子优良的磁场调制作用，并得出：当极数较多时，可用普通 凸极转子代替a l a 转子的初步结论；对电机空载状态进行瞬态场分析，计算了不同运 行方式情况下的铁心损耗。 ( 4 ) 对设计的电机进行参数计算与性能仿真。并开发了界面友好、操作简便、通用 完善的仿真软件，该软件不仅能够实现两种极数和两类转子无刷双馈电机的参数计算， 还能分别对它们进行自起动与异步、同步、双馈调速等多种运行方式的特性仿真。电机 的设计尺寸全部由界面输入，参数计算和仿真结果以图形的形式有序的在输出窗口中显 示，也可以方便地导出。不需要了解电机仿真和软件编程即可方便的使用，仿真软件为 该类型电机的进一步研究和推广应用提供便利。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 无刷双馈电机的结构与运行方式 论文所研究的单电机单定子结构的无刷双馈电机，也称之为磁场调制式无刷双馈电 机，该电机具有体积小、成本低等优点，因此具有广阔的应用前景。无刷双馈电机的基 本结构如图2 1 所示，接下来将分别介绍该电机的机械结构及不同运行方式下的工作原 理。 图2 1 无刷双馈电机的结构简图 f i g 2 1s t r u c t u r e h e m a t i co f t l i eb d f m 2 1 定子绕组 2 1 1 定予绕组结构和排列方式 无届8 双馈电机定子铁心无异于常规交流电机的定子铁心，设计时一般可借鉴现有相 应规格的定子冲片，以降低制造成本。而定子绕组与传统的交流电机有较大不同，其结 构一般有两种，即双绕组结构和单绕组结构，与双绕组结构相比，单绕组结构的优点是 材料利用率较高，同时由于只有一种节距的线圈，绕组嵌线比较容易。然而单绕组方案 在设计上难度较大，因为要同时兼顾极数不同的定子两套绕组的要求。特别是对于远极 比的无刷双馈电机，由于两种极数绕组参数相差过大，采用单绕组方案比较困难，另外， 在工程实践中应用也比_ 较少。下面以双绕组为例来说明它的构成原理。 磁场调制式无刷双馈电机需要有极数不同的两套定子绕组共用一个定子铁心。通常 将用以承担主要功率传输的具有2 p p 极的定子绕组称为主绕组或者功率绕组，而将用以 控制电机运行方式的具有确极的定子绕组称之为副绕组或控制绕组。尽管主副绕组可 采用合用一套绕组线圈的单绕组结构，然而比较容易设计和实现的方案是采用主副绕组 和0 双馈电帆耦合能力研究与仿真软件开发 各自独立的双绕组结构。具有双绕组结构的无刷双馈电机示意图如图2 2 所示。 a b c 八 ( 转子) u b c 图2 2 无刷双馈电机的双绕组方案示意图 f i g 2 2s c h e m a t i c s t r u c t u r eo f t h eb d f md o u b l ew i n d i n g s 下面举例说明无刷双馈电机定子绕组采用双绕组方案的构成原理。设电机的定子铁 心具有7 2 槽，主绕组极数为2 p p _ 1 2 ，副绕组极数为2 p q - 8 。由于主副绕组可以是独立 的三相对称绕组，故主副绕组可按一般交流电机定子绕组分别设计，只是在选择线圈节 距时除了考虑该绕组本身的要求外，还需要考虑主副绕组之间的耦合问题。对于7 2 槽 的定子铁心，1 2 极主绕组和8 极副绕组的槽电动势矢量图分别如图2 3 a 、b 所示。根据 图2 3 所示星形槽电动势矢量图，可分别确定主副绕组的接线图。三相绕组采用y 型接 线方式的1 2 极主绕组和8 极副绕组的接线图分别如图2 4 a 、b 所示。 82 0 71 93 1 61 8 1 02 23 44 65 87 0 ；心 1 12 33 f 。 。i 彳。n 7 ， t l5 3 6 5 1 31 5 2 41 62 84 0 5 26 4 a ) 1 2 极槽电动势矢量图 1 0 4 75 97 l 2 43 64 86 07 2 11 32 53 74 96 1 1 42 6 3 85 06 2 3 95 16 3 沈阳工业大学硕士学位论文 1 43 25 06 8 1 53 35 16 9 62 4 4 26 052 34 15 9 b ) 8 极槽电动势矢量图 图2 37 2 槽定子主绕组( 1 2 极) 副绕组( 8 极) 的槽电动势矢量图 f i g 2 3s l o te l e c t r o m o t i v ef o r c ev e c t o rd i a g r a mo f t h em a i na n da t d d z h r yw i n d i n g sw i t h7 2s l o t s a ) 1 2 极主绕组 b ) 8 极副绕组 图2 4 双绕组结构主副绕组接线图 f i g 2 4w i r i i l gs c h e m eo f d o u b l yw i n d i n g ss t r u c t u m 1 1 4 5 n “ 硒 札 记 弱 $ 砷 3 4 蟮 埔 ” 勰 鼻； 船 ；： 致 以 酩 无刷双馈电机耦合能力研究与仿真软件开发 2 1 2 分数槽的绕组排列 为研究设计参数对无刷双馈电机耦合能力的影响，需要用到分数槽绕组的排列，现 将分数槽绕组分配和接线规律进行详细陈述，并用具体例子加以说明【3 铆】。 每极每相槽数盯取整数时的绕组排列在电机学中已经学过，这里仅对每极每相槽数 为分数的情况进行分析。 若槽数为z ，极数为劲，相数为肼，则每极每相槽数为 ：三：盟；b+cq ( 2 1 ) 2 r a p d2 + 2 j - l j 其中，尝为最简假分式，b 为整数，三为最简真分式。 dd 根据g 的不同，分数槽绕组可以概括为以下三类：q l 的普通分数槽绕组，q l 的 特殊分数槽绕组和q 1 的普通分数q l 的特殊分数 q l 的普通分数槽绕组 该类绕组特点就是q l 且a 3 蚓l e 3 或3 的倍数。例如三相7 2 槽2 0 极双层绕组，其 每极每相槽数：g = 1 1 5 ，电角度口= 5 0 度，绕组分配见表2 1 ，取短距儿2 3 ，电机绕组 的特点是：每5 个极下跨6 只线圈，可以按照21111 的顺序进行排列。槽电势星形图 和一相绕组的展开图如图2 5 所示。 2 8 6 4 刘 3 。，： 缓 韧藩 a b ) a 相绕组展开图 图2 5q l 普通分数槽3 相2 0 极7 2 槽双层绕组的排列 f i g 2 5d o u b l y - l a y e rw i n d i n g sa r r a n g e m o n to f 3p h a s e s ，2 0p o l e sa n d7 2s l o t sw i t hq l x ( 2 ) q l 的特殊分数槽绕组p 7 l q l 的特殊分数槽绕组指的是矿1 而且d 为3 或3 的倍数的情况。例如：z = 4 8 ，2 p = 1 2 ， 则每极每相槽数g = 1 _ 3 1 ，如果每极每相槽数可表示为： 无刷双馈电机耦合能力研究与仿真软件开发 丽丽晌丽翩丽8 丽嘲酾丽8 删 92 12 92 52 1 2 ，乱钾3 ，4 14 34 5 4 t 图2 ，6q l 特殊分数槽3 相1 2 极4 8 槽双层绕组展开图( a 相) f i g 2 6 d o u b l y - l a y e r w i n d i n g s d i a g r a m o f 3 p h a s e s , 1 2 p o l e s a n d 4 8s l o t s w i t h 驴1 这个电机绕组的特点是：每4 个槽跨在3 个极上，作为一种特殊分数槽排列，它的 绕组排列可以按2 ll1 2 11 1 2 的方式循环( 这不是唯一的排列方式) ，表2 2 显示了绕组 分配，图2 6 表示出了相绕组展开图( 双层短距y o = 3 ) 。 ( 3 ) q l 的分数槽绕组 q n , n q ，功率绕组和控制绕组在转子中感应的电流频率分别为 厶= ( 刀p 一珥) 岛6 0 ( 2 7 ) = ( n r n q ) p q 6 0 ( 2 8 ) 无刷双馈电机在双馈稳定运行时，为得到稳定的电磁转矩，两定子磁场在转子中感 应出的电流频率应该相同，即局= 矗，因此电机双馈运行时的转速为 n ：鱼! 垡型( 2 9 ) r2 萧 懈一 一2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 式( 2 9 ) 表示功率绕组和控制绕组是相同相序。此时转速成为超同步转速。 同理可推得，若加在定子主副绕组上的电流相序相反，则电机的转速相应为 盯：6 0 ( l - l )( 2 1 0 ) 1 0 ) 盯= 一 i z 岛+ p q 式( 2 1 0 ) 表示的是亚同步转速，表示功率绕组和控制绕组反相序。当后司时的转速 称为自然同步速。 从以上转速公式可以看出，无刷双馈电机作电动机运行时，可通过调节控制绕组的 供电频率正来调节转速；作发电机运行时，在不同机械转速n 下调节控制绕组的供电频 率五，可保证定子的功率绕组输出恒定频率的交流电，即实现了交流励磁变速恒频发电。 功率绕组 l l i 定子绕组 l 控制绕组 图2 1 4 各旋转磁场之闯的关系 f i g 2 1 4r e l a t i o n s h i po f t h ev a r i o u sr o t a t i n g 矗e l d s 2 3 3 发电机运行 当无刷双馈电机作发电机运行时，通常将剐绕组用作交流励磁绕组，由提供转差频 率的变频电源供电，而将定子主绕组用作电能输出的发电绕组。发电运行方式如图2 1 5 所示。 主绕组输出电压和电流的频率与电机的转速及副绕组励磁电流频率之间的关系可 表示为： 五= ( p p + p h ) n , 6 0 五 ( 2 1 1 ) 无刷双馈电机耦合能力研究与仿真软件开发 由上式可看出无刷双馈电机的发电机运行方式具有以下两个特点： 当原动机转速发生变化时，可通过调节电机副绕组三相励磁电流的相序和频率正使 发电机输出电压和电流的频率石保持不变。当电机的转速高于同步速时式( 2 1 1 ) 右端取 负号( 励磁绕组电流相序与电机转向相反) ；反之，当电机转速低于同步速时励磁电流 相序与电机转向相同。 无刷双馈电机的等效极数为2 0 , p + p q ) ，特别适合用于多极低速发电机。 上述两点正是风力和水力发电机所希望的。因此，无刷双馈电机特别适合用于变速 恒频风力发电和水力发电系统。 3 8 0 v 原动机 图2 1 5 发电机运行方式接线图 f i g 2 1 5d i a g r a mo f g e n e r a t i o no p e r a t i o nm o d e 2 4 本章小结 本章以0 2 + 8 ) 极无刷双馈电机为例，介绍了电机的定予绕组和转子结构，分析了比 较常用的定子双绕组结构的绕组排列；总结了每极每相槽数为任意值情况下的绕组排 列；介绍了常用的两大类型转子，简单分析了它们的磁场调制作用。对几种不同运行方 式情况下的工作原理进行了介绍，可以看出：无刷双馈电机具有多种运行方式，无刷可 靠，需要的变频器容量较小，系统成本相对较低，多极数时还可以省去变速装置，因此 在变速恒频风力发电和调速系统中有着广阔的应用前景。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 设计参数对无刷双馈电机耦合能力的影响研究 无刷双馈电机定子上嵌有两套绕组，它们会在气隙中产生两种不同极数的磁场，依 据磁场调制理论，气隙中的这两个磁场通过特殊转子的调制作用，实现了两套定子绕组 之间的耦合，进而实现了定转子之间的机电能量转换。有用谐波实现能量传递，但是还 存在着一些不希望的谐波分量，这些谐波比较丰富，因而导致了目前无刷双馈电机存在 的突出问题：功率密度较低，效率较低。因此，为克服电机本身的一些问题，研究电机 设计参数对主副绕组之间耦合的影响，设法从电机设计的角度提高电机的耦合能力，有 着重要的理论意义和实用价值。 由无刷双馈电机的等效电路可以看出：主绕组和副绕组的电感参数能够反映两套定 子绕组之间的藕合情况，它们之间耦合情况反映了电机的耦合能力。本章首先对a i a 转子无刷双馈电机的电感参数进行计算，求得主副绕组通过转子的互感以及它们各自的 自感，然后利用定子主副绕组的这些电感参数分析主副绕组的耦合情况，进而研究电机 的耦合能力。主要研究如下因素对该类型电机耦合能力的影响：极数、两定子绕组的极 数配合和a l a 转子的极弧系数。 3 1 绕组电感的计算方法 无刷双馈电机的耦合能力主要体现在定子功率绕组和控制绕组与转子的能量转换 上，而主副绕组通过转