无刷双馈电机的转子结构及其谐波分析
王晓远 何早新(天津大学300072)
摘 要 从无刷双馈电机功率绕组及控制绕组产生的磁场各自在转子导条中感应的电流频率、相位所应满足的关系得出转子导条数目。介绍了用于无刷双馈电机的比较特殊的转子结构，并对具有这种结构的转子进行了磁势谐波分析，及用实验验证了无刷双馈电机的转速、频率关系。
1引 言
无刷双馈调速电机是随着变频技术的进步特别是功率双流向变频器的出现，在自级联机的基础上发展起来的。无刷双馈调速电机具有变频器容量小、调速方便、以同步速运行及功率因数可调等一系列优点[1]。本文介绍无刷双馈电机的特殊转子结构，并对这种
转子磁势谐波进行了分析。
2工作原理与转子结构
无刷双馈电机装有两套定子绕组，一为功率绕组，二为控制绕组，它们的极对数不同，并且通以不同频率的电压。无刷双馈电机的转子结构也与普通的笼型异步机有所不同（见图1、图2）。两套定子绕组通过转子作为中介而相互作用，之所以有这种结构的转子，其原理如下所述。
首先，将这种结构的转子看成是普通笼型转子的一个特例。在忽略定子磁势谐波的情况下，分别由两套定子绕组产生的气隙磁场在定子坐标系中可表示为：
上述磁场表达式在转子坐标系中则为：
(1)由功率绕组和控制绕组产生的磁场在转子导条中分别感应的电流的频率应相等。
(2)这两种电流各自在两相邻转子导条中的相位移应相等或相差3600的整数倍。
这样，两套定子绕组才能通过转子而相互作用，产生转矩。
由式(3)、(4)及条件1有
由条件2有：
为了使N。(N，为转子导条数)尽可能大，q应取1，这样得：
式(6)、(9)分别是无刷双馈电机的同步运行速度及所应具备的转子导条数。
由于cos (-A)=cos (A)，式(4)也可以写成：
由条件2有：
初看起来，有两种情况同时满足条件1，2。
第一种情况：
第二种情况：
显然，应取第二种情况的Ⅳ。，可以获得更多的转子导条数，以减小转子漏抗。
综合以上所述，如果Nr按式(13)选取，则无刷双馈电机的同步运行速度为：
式(18)中，两定子磁场旋转方向相同时，002取正；两定子磁场旋转方向相反时．w2取负，为同步速。
对实际电机极对数P1、P2，按式(13)选取的转子导条数一般还是比较少，会产生很高的转子漏抗。因此应该增加转子槽数，使用分布绕组的概念，将上述的一个“导条”分布在几个槽中。图1、图2为这种转子结构的示意图。
图1中，几个同心式布置的转子导条回路构成一相绕组，每相绕组之间互相独立，共N相。
图2中各相绕组的最外层回路与相邻相绕组共用一导条，两端与端环相接形成N个笼型的转子导条，其它回路相互独立并在转子的同一端共用一个端环嘲。
本文所设计无刷双馈电机的样机Pl =3，P2=1，Z1= 36，2z-32，转子结构如图1所示，定子采用两套独立的绕组。功率端电压频率为50Hz，改变控制端的电压频率可获得一系列同步速，如表1、2所示。
表1是定子两套绕组同相序时的控制端频率与转速关系
表2是反相序时的情形，与式(18)完全相符。
3转子绕组的谐波分析
现设P1=3，P2=1，，转子结构见图1，转子由P1+P2=4个相绕组组成，每相绕组有4个回路，以第一相绕组中心线为空间坐标原点。当无刷双馈电机以同步速运转时，转子中只流过同一种频率的电流，现假设一个相绕组中各个回路中电流相位相同[3]。由于每相绕组中的各回路互相独立，则其中的电流幅值大小各不相等。尽管如此，因为假设各回路电流相位相同，而且各回路共轴线，所以分别由一个相绕组中的各回路电流产生的各次谐波磁势可以进行代数叠加。以第一相绕组为例，其产生的各次谐波磁势：
依据式(12)，相邻相绕组回路的电流相位移为900，则可得第2、3、4相绕组电流产生的各次谐波磁势为：
将这四个相绕组所产生的谐波磁势相加即是转子电流产生的谐波磁势。通过计算，偶数次谐波不存在。
当v=1时：
由转子产生的1次、3次谐波磁场分与定子侧的控制绕组和功率绕组产生的基波磁场相互作用，产生转矩。由式(23)、(24)看图，1次磁势波与3次磁势波相对转子旋转方向相反，这和早期的自级联机通过两套转子绕组反相序相连的情形吻合。图3、4分别是图1、2型式的转子谐波绕组系数分布图。相对而言，具有图2型式的转子结构的1、3次谐波成分较大，5次谐波成分较小。
谐波次数图3具有独立回路的转子谐波绕组系数分布图谐波次数
4结论
在无刷双馈电机转子电流产生的谐波磁场成分中，分别与定子功率绕组和控制绕组基波磁场极对数相对应的谐波磁场能够和定子相互作用产生转矩，其它的谐波成分对转矩没有贡献。因此，比较理想的转子应该使这两种谐波成分尽量增大，而其它的谐波成分则尽量削弱。
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