無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及其諧波分析
王曉遠(yuǎn) 何早新(天津大學(xué)300072)
摘 要 從無(wú)刷雙饋電機(jī)功率繞組及控制繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)各自在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中感應(yīng)的電流頻率、相位所應(yīng)滿足的關(guān)系得出轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)目。介紹了用于無(wú)刷雙饋電機(jī)的比較特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并對(duì)具有這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了磁勢(shì)諧波分析，及用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速、頻率關(guān)系。
1引 言
無(wú)刷雙饋調(diào)速電機(jī)是隨著變頻技術(shù)的進(jìn)步特別是功率雙流向變頻器的出現(xiàn)，在自級(jí)聯(lián)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。無(wú)刷雙饋調(diào)速電機(jī)具有變頻器容量小、調(diào)速方便、以同步速運(yùn)行及功率因數(shù)可調(diào)等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]。本文介紹無(wú)刷雙饋電機(jī)的特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并對(duì)這種
轉(zhuǎn)子磁勢(shì)諧波進(jìn)行了分析。
2工作原理與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
無(wú)刷雙饋電機(jī)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(duì)數(shù)不同，并且通以不同頻率的電壓。無(wú)刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也與普通的籠型異步機(jī)有所不同（見(jiàn)圖1、圖2）。兩套定子繞組通過(guò)轉(zhuǎn)子作為中介而相互作用，之所以有這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，其原理如下所述。
首先，將這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子看成是普通籠型轉(zhuǎn)子的一個(gè)特例。在忽略定子磁勢(shì)諧波的情況下，分別由兩套定子繞組產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)在定子坐標(biāo)系中可表示為：
上述磁場(chǎng)表達(dá)式在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中則為：
無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行的基本條件是：
(1)由功率繞組和控制繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中分別感應(yīng)的電流的頻率應(yīng)相等。
(2)這兩種電流各自在兩相鄰轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的相位移應(yīng)相等或相差3600的整數(shù)倍。
這樣，兩套定子繞組才能通過(guò)轉(zhuǎn)子而相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
由式(3)、(4)及條件1有
由條件2有：
為了使N。(N，為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù))盡可能大，q應(yīng)取1，這樣得：
式(6)、(9)分別是無(wú)刷雙饋電機(jī)的同步運(yùn)行速度及所應(yīng)具備的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)。
由于cos (-A)=cos (A)，式(4)也可以寫成：
由條件2有：
初看起來(lái)，有兩種情況同時(shí)滿足條件1，2。
第一種情況：
第二種情況：
顯然，應(yīng)取第二種情況的Ⅳ。，可以獲得更多的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)，以減小轉(zhuǎn)子漏抗。
綜合以上所述，如果Nr按式(13)選取，則無(wú)刷雙饋電機(jī)的同步運(yùn)行速度為：
式(18)中，兩定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，002取正；兩定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)．w2取負(fù)，為同步速。
對(duì)實(shí)際電機(jī)極對(duì)數(shù)P1、P2，按式(13)選取的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)一般還是比較少，會(huì)產(chǎn)生很高的轉(zhuǎn)子漏抗。因此應(yīng)該增加轉(zhuǎn)子槽數(shù)，使用分布繞組的概念，將上述的一個(gè)“導(dǎo)條”分布在幾個(gè)槽中。圖1、圖2為這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖1中，幾個(gè)同心式布置的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條回路構(gòu)成一相繞組，每相繞組之間互相獨(dú)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(dǎo)條，兩端與端環(huán)相接形成N個(gè)籠型的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，其它回路相互獨(dú)立并在轉(zhuǎn)子的同一端共用一個(gè)端環(huán)嘲。
本文所設(shè)計(jì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的樣機(jī)Pl =3，P2=1，Z1= 36，2z-32，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示，定子采用兩套獨(dú)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(shí)的控制端頻率與轉(zhuǎn)速關(guān)系
表2是反相序時(shí)的情形，與式(18)完全相符。
3轉(zhuǎn)子繞組的諧波分析
現(xiàn)設(shè)P1=3，P2=1，，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，轉(zhuǎn)子由P1+P2=4個(gè)相繞組組成，每相繞組有4個(gè)回路，以第一相繞組中心線為空間坐標(biāo)原點(diǎn)。當(dāng)無(wú)刷雙饋電機(jī)以同步速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子中只流過(guò)同一種頻率的電流，現(xiàn)假設(shè)一個(gè)相繞組中各個(gè)回路中電流相位相同[3]。由于每相繞組中的各回路互相獨(dú)立，則其中的電流幅值大小各不相等。盡管如此，因?yàn)榧僭O(shè)各回路電流相位相同，而且各回路共軸線，所以分別由一個(gè)相繞組中的各回路電流產(chǎn)生的各次諧波磁勢(shì)可以進(jìn)行代數(shù)疊加。以第一相繞組為例，其產(chǎn)生的各次諧波磁勢(shì)：
依據(jù)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(chǎn)生的各次諧波磁勢(shì)為：
將這四個(gè)相繞組所產(chǎn)生的諧波磁勢(shì)相加即是轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的諧波磁勢(shì)。通過(guò)計(jì)算，偶數(shù)次諧波不存在。
當(dāng)v=1時(shí)：
由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的1次、3次諧波磁場(chǎng)分與定子側(cè)的控制繞組和功率繞組產(chǎn)生的基波磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由式(23)、(24)看圖，1次磁勢(shì)波與3次磁勢(shì)波相對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，這和早期的自級(jí)聯(lián)機(jī)通過(guò)兩套轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子諧波繞組系數(shù)分布圖。相對(duì)而言，具有圖2型式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的1、3次諧波成分較大，5次諧波成分較小。
諧波次數(shù)圖3具有獨(dú)立回路的轉(zhuǎn)子諧波繞組系數(shù)分布圖諧波次數(shù)
4結(jié)論
在無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)成分中，分別與定子功率繞組和控制繞組基波磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)相對(duì)應(yīng)的諧波磁場(chǎng)能夠和定子相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其它的諧波成分對(duì)轉(zhuǎn)矩沒(méi)有貢獻(xiàn)。因此，比較理想的轉(zhuǎn)子應(yīng)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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