無刷雙饋電機的轉子結構及其諧波分析
王曉遠 何早新(天津大學300072)
摘 要 從無刷雙饋電機功率繞組及控制繞組產生的磁場各自在轉子導條中感應的電流頻率、相位所應滿足的關系得出轉子導條數目。介紹了用于無刷雙饋電機的比較特殊的轉子結構，并對具有這種結構的轉子進行了磁勢諧波分析，及用實驗驗證了無刷雙饋電機的轉速、頻率關系。
1引 言
無刷雙饋調速電機是隨著變頻技術的進步特別是功率雙流向變頻器的出現，在自級聯機的基礎上發展起來的。無刷雙饋調速電機具有變頻器容量小、調速方便、以同步速運行及功率因數可調等一系列優點[1]。本文介紹無刷雙饋電機的特殊轉子結構，并對這種
轉子磁勢諧波進行了分析。
2工作原理與轉子結構
無刷雙饋電機裝有兩套定子繞組，一為功率繞組，二為控制繞組，它們的極對數不同，并且通以不同頻率的電壓。無刷雙饋電機的轉子結構也與普通的籠型異步機有所不同（見圖1、圖2）。兩套定子繞組通過轉子作為中介而相互作用，之所以有這種結構的轉子，其原理如下所述。
首先，將這種結構的轉子看成是普通籠型轉子的一個特例。在忽略定子磁勢諧波的情況下，分別由兩套定子繞組產生的氣隙磁場在定子坐標系中可表示為：
上述磁場表達式在轉子坐標系中則為：
(1)由功率繞組和控制繞組產生的磁場在轉子導條中分別感應的電流的頻率應相等。
(2)這兩種電流各自在兩相鄰轉子導條中的相位移應相等或相差3600的整數倍。
這樣，兩套定子繞組才能通過轉子而相互作用，產生轉矩。
由式(3)、(4)及條件1有
由條件2有：
為了使N。(N，為轉子導條數)盡可能大，q應取1，這樣得：
式(6)、(9)分別是無刷雙饋電機的同步運行速度及所應具備的轉子導條數。
由于cos (-A)=cos (A)，式(4)也可以寫成：
由條件2有：
初看起來，有兩種情況同時滿足條件1，2。
第一種情況：
第二種情況：
顯然，應取第二種情況的Ⅳ。，可以獲得更多的轉子導條數，以減小轉子漏抗。
綜合以上所述，如果Nr按式(13)選取，則無刷雙饋電機的同步運行速度為：
式(18)中，兩定子磁場旋轉方向相同時，002取正；兩定子磁場旋轉方向相反時．w2取負，為同步速。
對實際電機極對數P1、P2，按式(13)選取的轉子導條數一般還是比較少，會產生很高的轉子漏抗。因此應該增加轉子槽數，使用分布繞組的概念，將上述的一個“導條”分布在幾個槽中。圖1、圖2為這種轉子結構的示意圖。
圖1中，幾個同心式布置的轉子導條回路構成一相繞組，每相繞組之間互相獨立，共N相。
圖2中各相繞組的最外層回路與相鄰相繞組共用一導條，兩端與端環相接形成N個籠型的轉子導條，其它回路相互獨立并在轉子的同一端共用一個端環嘲。
本文所設計無刷雙饋電機的樣機Pl =3，P2=1，Z1= 36，2z-32，轉子結構如圖1所示，定子采用兩套獨立的繞組。功率端電壓頻率為50Hz，改變控制端的電壓頻率可獲得一系列同步速，如表1、2所示。
表1是定子兩套繞組同相序時的控制端頻率與轉速關系
表2是反相序時的情形，與式(18)完全相符。
3轉子繞組的諧波分析
現設P1=3，P2=1，，轉子結構見圖1，轉子由P1+P2=4個相繞組組成，每相繞組有4個回路，以第一相繞組中心線為空間坐標原點。當無刷雙饋電機以同步速運轉時，轉子中只流過同一種頻率的電流，現假設一個相繞組中各個回路中電流相位相同[3]。由于每相繞組中的各回路互相獨立，則其中的電流幅值大小各不相等。盡管如此，因為假設各回路電流相位相同，而且各回路共軸線，所以分別由一個相繞組中的各回路電流產生的各次諧波磁勢可以進行代數疊加。以第一相繞組為例，其產生的各次諧波磁勢：
依據式(12)，相鄰相繞組回路的電流相位移為900，則可得第2、3、4相繞組電流產生的各次諧波磁勢為：
將這四個相繞組所產生的諧波磁勢相加即是轉子電流產生的諧波磁勢。通過計算，偶數次諧波不存在。
當v=1時：
由轉子產生的1次、3次諧波磁場分與定子側的控制繞組和功率繞組產生的基波磁場相互作用，產生轉矩。由式(23)、(24)看圖，1次磁勢波與3次磁勢波相對轉子旋轉方向相反，這和早期的自級聯機通過兩套轉子繞組反相序相連的情形吻合。圖3、4分別是圖1、2型式的轉子諧波繞組系數分布圖。相對而言，具有圖2型式的轉子結構的1、3次諧波成分較大，5次諧波成分較小。
諧波次數圖3具有獨立回路的轉子諧波繞組系數分布圖諧波次數
4結論
在無刷雙饋電機轉子電流產生的諧波磁場成分中，分別與定子功率繞組和控制繞組基波磁場極對數相對應的諧波磁場能夠和定子相互作用產生轉矩，其它的諧波成分對轉矩沒有貢獻。因此，比較理想的轉子應該使這兩種諧波成分盡量增大，而其它的諧波成分則盡量削弱。
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