摘要：无刷双馈电机是近年来发展起来的一种新型电机。由于其比普通交流调速系统性能优越，它将在大型风机和水泵的调速节能驱动方面有着广泛的应用前景。基于此，本文就围绕无刷双馈电机的工作原理及电磁设计展开分析。
关键词：无刷双馈电机；工作原理；电磁设计
1、无刷双馈电机的工作原理
无刷双馈调速电机工作原理如图1所示。定子绕组由2套极对数不等（Pp≠Pc）的三相对称绕组构成，分别成为功率绕组和控制绕组。它们可以是彼此独立的2套绕组组成，也已由1套三相绕组通过变极联结获得两种不同极数的三相对称绕组。当功率绕组接入工频（fp）电源、控制绕组接入变频（fc）电源后（一般情况下fp≠fc），由于两套定子绕组同时有电流流过，因此在气隙中产生两个不同极对数的磁场，这两个磁场通过转子的调制发生交叉耦合，构成了实现能量传递转换的基础，经分析可得稳态运行时电机的转速与Pp、Pc、fp及fc的关系为：
图1
2、无刷双馈电机的电磁设计
2.1概述
无刷双馈电机的尺寸计算、电磁负荷计算、槽型的设计和配合等部分，与普通异步电机的电磁设计相似。由于无刷双馈电机电磁关系的特殊要求，定子绕组、转子绕组以及极对数等必须进行特殊设计。
2.2定子绕组极对数的设计
2.2.1为了消除两个定子绕组间的电磁作用极对数应满足不等的条件即Pp≠Pc，当极对数满足时，两个定子绕组产生的基波磁场在空间分布的周期不同，因此相互作用的结果为零。
2.2.2由不同极数的定、转子磁场相互作用会产生径向拉力和脉动电磁转矩，电机的振动与噪声较大。当极对数Pp和Pc相差越大时，越能降低振动与噪声。因此，在选择Pp和Pc时，使它们尽可能相差大些。
2.2.3由电机工作原理可知，转子电流产生的磁场需要转换成不同极对数（Pp和Pc）磁场。它们是依靠产生谐波磁场来实现的，为了产生较强的对应谐波磁场，极对数Pp和Pc最好满足3倍关系，即Pc=3Pp。
综合考虑上述条件，可以确定本设计的定子绕组极对数为：Pp=1和Pc=3。
2.3定子绕组的设计
定子绕组设计的关键是合理选择绕组节矩和绕组形式。在无刷双馈电机中，定子绕组会感应基波电势和高次谐波电势；另外，功率绕组和控制绕组的基波磁场会在对方绕组中感应互感电势。这些高次谐波电势和互感电势会增加电机的电磁损耗，不利于电机正常运行。为了减小高次谐波和互感电势，定子绕组可以采用双层短距分布的绕组形式。
2.4转子结构设计
无刷双馈电机的转子同时耦合着极数不同的功率绕组和控制绕组，常称为“极数转换器”，其作用的强弱直接影响着电机的性能。当无刷双馈电机功率绕组和控制绕组的极对数分别为Pp和Pc时，为了实现电机转子的极数转换作用，转子的极对数通常设计为Pr=Pp+Pc。
无刷双馈电机通常采用的转子结构开型式有四种，如图2所示。无论采用哪种转子结构，其作用均是通过特定的磁路结构，产生交直轴方向的磁阻差异，从而使功率绕组和控制绕组产生的不同极数的气隙磁场得以调制。
图2
图2中b、c、d转子结构均属于磁阻式转子结构，由于b转子的d轴、q轴磁阻差别小，磁场调制作用相对较弱，一般很少采用。c转子结构的极数转换器作用比b转子结构要强，介于b、d转子结构之间，但仍不十分理想。分析表明在磁阻式转子结构中目前较理想的转子结构是d转子结构，这种转子结构虽然制造工艺比较复杂，且是无刷双馈电机的常用转子结构型式之一。a转子结构是普通笼型结构，转子绕组常采用pr组同心式短路线圈的结构型式，其制造工艺简单、成本低，磁场耦合作用也比较理想，是目前无刷双馈电机较理想、常采用的转子结构型式。
当转子的结构型式和极数确定以后，转子槽数的选取是至关重要的，因为它既要考虑到电机的槽配合问题，又要使用pr组同心式短路线圈满足对称关系。就是说转子槽数的选择必须符合两个条件：第一，Pr（Pp+Pc）组同心式短路线圈满足对称关系，即转子槽数必须是Pr的整数倍；第二，满足异步电机中定转子的槽配合，以避免由于齿槽效应产生的低速转矩脉动，起动时的同步附加转矩和电机运行过程中过大的振动和噪声。
结束语
无刷双馈电机是经过转子的磁动势谐波对定子不同极数的旋转磁场进行调制，来实现电机的机电能量转换的新型交流调速电机。其运行原理与传统的交流电机有较大的差别，通过改变控制绕组的连接方式及其外加电源的频率、幅值和相位可以实现无刷双馈电机的多种运行方式，是一种应用十分广泛、前景新型电机。
参考文献
[1]邓先明.无刷双馈电机的工作原理及电磁设计[J].中国电机工程学报，2003.
[2]幺莉.无刷双馈电机原理及定子结构设计分析[J].微电机，2006.
论文作者:李镇良
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/23
标签：绕组论文; 转子论文; 电机论文; 定子论文; 磁场论文; 对数论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2017年第32期论文;