英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于星形结构绕线转子的无刷双馈电机的设计与性能

合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥，中国

电子邮件：kchthw@126.com

摘要: 星形多边形无刷双馈电机（SPBDFM）是一种新型绕线转子电机，对于变速恒频轴生成系统非常有吸引力。 机器的转子结构可能会改善转子绕组的导体可用性。 采用基尔霍夫定律来说明原理，并以不同槽和极的组合作为例子。 谐波分析也被用来分析转子绕组的磁动力（MMF）波形，其结构为星形 - 多边形。 最后,结果被用来揭示SPBDFM对于轴生成系统的吸引力。

关键词：多边形;无刷双馈电机; 伤口转子; 磁动

1.介绍

最近推出的无刷双馈电机（BDFM）是一种新型交流励磁电机，具有同步电机和异步电机的特点。定子上有两组对称的交流绕组：带有p1极对的控制绕组通过功率电子变换器连接，带有p2极对的功率绕组直接与电网相连，一组对称的交流绕组在转子里。两套定子绕组之间在电压或电流上没有直接接触，而是通过转子磁场耦合来实现对两组不同极对的定子旋转磁场的调制，实现了电机的电气和机械能转换和传输[1-4]。作为发电机，其变速恒压恒频发声功能使其在风力发电，船用轴功率发电领域;作为电机时其精确的定时功能使其在更高的转速要求下具有广泛的应用前景。

转子绕组的结构是影响BDFM性能的一个关键因素，因此转子绕组需要专门设计以实现转子MMF耦合由定子控制绕组和功率绕组产生的MMF的要求[5-8]。 当具有Zr条的转子受到p1极对的旋转磁场时，感应转子MMF包含P1-Zr极对的主槽空间谐波。 当p1-Zr lt;0时，谐波场的旋转方向相对于p1极对的主场相对于转子。 显然，为了满足BDFM的同步运行要求，选择p2 = Zr-p1，因此转子可以选择p1 p2个槽

虽然定子极对数之和很小，但如果选择转子槽数为p1 p2，则转子绕组的感应谐波MMF很大，可通过增加槽数来减弱漏电抗。 当转子槽数增加到Zr K p1 p2 （Ka正整数）时，根据BDFM绕组设计的原则，每K个相邻转子槽都是一个基本单位，它是最小槽数组，称为最小槽数组， 它也被称为转子绕组的一个相位。 显然，每个最小的插槽编号组具有相同的绕组连接装置。

目前的设计，它被称为“嵌套循环”设计。 作为一个例子，转子54槽，1/2极对“嵌套环”如图1所示。它具有3个巢，并且每个巢中有6个环。

图1. bdfm带有转子54个槽 1/2-极对绕组连接嵌套环

BDFM的嵌套环路结构和磁阻结构都是“磁场”型,通过调节流动路径来实现转子耦合两组定子绕组的磁场。由于气隙是正弦交变磁场，转子绕组无法通过改变磁通路径来实现耦合两种定子磁场。”型结构存在缺陷，如：丰富的谐波MMF; 强大的分压效应; 对于相对较小的极对数，绕组节距（嵌套环）或等效绕组节距（磁阻）较小，特别是在两个极对之间的差别较大时,此，磁耦合的影响较弱对于极对数中较小的一个。

本文介绍了BDFM的“星形-多边形”结构的转子绕组。在新型电机中采用了“星形 - 多边形”拓扑结构，利用这种方法，转子绕组的相电流矢量将偏移一个特定的角度，该转换将改变转子绕组的磁链矢量，改善磁场分配。

2.子的结构和工作原理

根据基尔霍夫定律，显然相电流和线电流在多边形电路的连接中存在一定的时间相位角差。 而电机转子绕组在空间上也有一定的相位差。 如果在相位差上使用空间来补偿时域的相位差，可能会使得两部分绕组MMF叠加产生空间，然后绕组为星-多边形连接可以增加极对数 对应相绕组的分配系数，从而提高导体的利用率。

为了实现上述功能，需要特定的绕组连接。如上所述，对于控制绕组p1极对和功率绕组p2极对，转子绕组被分成p1 p2相，并且每个相绕组被分成两组。 下标d,s表示这两组。一相的转子绕组参数定义如下：Nrd是多边形部分的线圈绕组数，Nrs是星形部分的线圈绕组数; Wrd是多边形部分的每个线圈匝数中的每个相绕组匝数，Wrs是星形部分的每个线圈匝数中的每个相绕组匝数。图2显示了转子绕组的星形-多边形结构。

如图2所示，Erdi和Ersi分别为多边形部分和星形部分的第i相转子绕组感应电动势,其中i = 1,2，...，

图2.星形-多边形形式的绕线转子结构

m．转子绕组相数为m = P1 P2，假设P1 lt;P2。

具有星形 - 多边形结构的转子绕组原理如下所示。 当p1极对的定子绕组受到电流的作用时，间隙空间会产生p1极对气隙磁场[9,10]。 等式（1）给出了转子绕组的每相感应电动势的表达式。

其中Erd和rs分别是多边形部分绕组和星形部分绕组的各相感应电动势振幅。 由于各相转子绕组以相同方式连接，因此星形部分和多边形部分的感应电动势的振幅分别相等。1是机械转子轴的角度。是某个相转子绕组的星形部分的机械轴与多边形部分之间的夹角。

从拓扑结构的对称性可以看出，星形部分和多边形部分的电流分别是对称分布。 使用相等的（1）转子绕组电流可写成

其中Ird和Irs分别是由各相的多边形部分绕组和星形部分绕组产生的电流幅度。0是电动势矢量和电流矢量之间的角度。 通过简化,我们定义了theta;0= 0。很明显，角度=frac12;pi;-frac12;p11（见附录）。 为了确保每个插槽的安培导线数量相同，电流幅值的比值约为Ird:Irs=Wrs:Wrd.

计算第一相绕组的多边形部分轴作为空间角的坐标原点。 对于第v个MMF谐波可以写成相等（3）。

其中Fdv和Fsv分别是由各相的多边形部分绕组和星形部分绕组产生的脉动MMF。 由转子绕组电流幅值Ird和Irs的比值可以看出，

，其中Kwrdv和Kwrsv分别是转子绕组的多边形部分绕组和星形绕组的vth谐波绕组系数。r是转子参考系中磁场的频率，因此参考电路中的转子频率在幅度上相等。 当v = 1时，m相MMF的组合为

当v=p2/p1时，由于p2极对磁场与p1极对磁场在旋转方向上相反，所以相位组合的极点对为p2，所以我们有

从式（4）和（5）可以看出，由相同转子相绕组的星形部分和有源部分产生的MMF角度调整为。 我们有

从方程（4）,（5）和（6）可以看出，对于p1极对，每个相的星形部分和多边形部分之间的MMF角增加了，这势必减小复合MMF; 并且对于p2极对，每个相的星形部分和多边形部分之间的MMF角减小 ，这势必增加复合MMF。 因为p1lt;p2，p1极对MMF值的减小小于p2极对MMF值的增加。

根据方程（1）〜（6），当三相对称电压源施加在p2极对定子绕组上时，它将在气隙磁场中形成p2极对MMF，并且类似的结论 可以证明：对于p1极对，每个相的星形部分和多边形部分之间的MMF角增加了。 对于p2极点对，每个相的星形部分和多边形部分之间的MMF角减少。

综上所述，由p1和p2极对转子绕组产生的两种气隙磁场反向旋转，星形绕组的磁性与圆形绕组的磁性之间的夹角会增大， 转子绕组产生p1极对磁场，或者在转子绕组产生p2极对磁场时减小。 由于p1，p2是固定编号，因此角度只有一个值。 如果p1lt;p2，绕组分配系数的总和将增加。 如果p1gt;p2，上述方法中连接绕组的绕组分配系数之和将减小。 所以它不适合转子绕组连接。

3.原型测试

所设计的转子绕组已经缠绕在YZR225感应电机上，如图3（a）所示。 定子有72个槽，其中p1 = 1和p2 = 2极对的两个绕组分开放置。 转子有54个槽，其绕组连接图如图3（b）所示，其中y = 15。

作为比较，一般结构中的转子绕组连接图如图4所示。

表1列出了由三种绕组产生的合成MMF的谐波分析比较（如图3（b），图4和图1所示）。 线圈跨度选择为15个插槽（y = 15）

如表1所列，转子绕组系数按1型极对减少0.091，转子绕组系数按2型极对增加0.128。 显然，星形 - 多边形结构可以有效提高转子绕组的整体利用率。 与嵌套环形绕组相比，绕组系数作为p1极对形式减少，正如形式p2极对。 但是，重要的是，高次谐波MMF中的星形多边形连接明显更小。

(a) 原型机

(b)绕组结构

图3. 54插槽1/2极对原型的原型机和星形 - 多边形结构

图4. 绕组转子54槽和1/2极对以一般结构缠绕

表1.转子绕组的MMF谐波分析结果与星形 - 多边形，通用和嵌套LooP形式的结构的比较。

1. 磁场

1. 电压曲线

图5.磁场和电压曲线为2极对输出5 kw。

1. 控制电压

1. 控制电流

图6.作为功率绕组的输出控制电压和控制电流OUTPUT 5 KW（cosphi;= 1）

在实验中，2极对线圈用作线电压为200 V rms（相电压为115.5 V rms相应）的功率绕组。 我们保持功率绕组输出5 kW（cos 1 1）。 由于转子转速为1200转/分，磁场如图5（a）所示。 基于有限元分析，功率绕组电压（命名为v1，v2和v3）和控制电压（命名为v4，v5和v6）曲线如图5（b）所示。由于转子转速从800转到1200转/分，控制电压与速度如图6（a）所示。 控制电流与速度的关系如图6（b）所示。

如图6（a）所示，实验数据与基于有限元分析的计算结果一致。 显然，星形多边形BDFM可以实现变速恒压恒频生成的功能。

4．结论

本文首次提出了一种用于BDFM的新型转子绕组连接，称为星形多边形。 具有“星形 - 多边形”转子绕组结构的BDFM具有以下五个特点：1，增加了定子功率绕组对应的转子绕组分配系数; 2，重复使用一组转子槽导体，提高转子槽导体的实际利用率; 3，缠绕的选择是自由; 4，转子绕组连接灵活; 5，谐波MMF的含量较低。 所以这种新型转子风机结构具有很大的发展前景。

5.致谢

这项工作得到了安徽省自然科学基金项目（NO.1208085ME62）的支持，博士学位专项研究基金项目（NO。2011HGBZ-0935）

作者要感谢中国长江航运集团电机厂提供原型机和转子制造。

参考文献

[1] P. C. Roberts and R. A. McMahon, “Performance of BDFM as Generator and Motor, IEE Proceedings, Electric Power Application, Vol. 153, No. 2, 2006, pp.289–299.

[2] S. Williamson, A. C. Ferreira and A. K. Wallace, “Generalized Theory of the BDFM. Part 2: Model Verification
and Performance,” IEE Proceedings- Electric Power Application, Vol. 144, No. 2, 1997, pp. 123–129.
doi:10.1049/ip-epa:19971052

[3] A. K. Wallace, P. Rochelle and R. Spee, “Rotor Modeling and Development for BDFMs,” Conference of Record of the International Conference on Electrical Machines, Cambridge, Vol. 1, 1990.

[4] X. Wang and P. C. Roberts, “Optimization of Bdfm Stator design Using an Equivalent Circuit Model and a
Search Method,” In Proc, IEE 3th Int. Conf. Power Electronics, Machines and Drives, Dublin, Ireland, 2006, pp.
606-610.

[5] X. Wang, R. A. McMabon and P. J. Tavner, “Design of the Brushless Doubly-fed (induction) Machine,” IEEE
Interaction Election Machines amp;Drives Conference,IEMDCrsquo;07, Vol. 2, 2007, pp.1508-1513.

[6] X. F. Wang, “A New BDFM with a Wound-rotor Changing-pole Winding,” Proceedings o

全文共5973字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[8802]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word