无刷双馈电机(BDFM)定子设计研究

【摘要】随着科学理论的不断创新，经过百余年的不断发展，BDFM在不断趋近于成熟，逐渐被广泛的应用于工业及其他领域中。本文对无刷双馈电机的定子设计进行了研究，具体分析了定子功率分配关系及主要尺寸的确定方法，定子绕组的气隙密度及电负荷选取、定子绕组极对数、形式的选择和定子绕组设计方案。

【关键词】无刷双馈电机;定子设计;气隙密度;极对数

无刷双馈电机（BDFM）在历史的长河里经过了一个漫长而又曲折的发展过程，它最早起源于19世纪末，随着科学理论的不断创新，经过百余年的不断发展，BDFM在不断趋近于成熟，逐渐被广泛的应用于工业及其他领域中。定子是无刷双馈电机的重要部件，对电机特性起着重要作用，下面对BDFM的定子设计方法及相关特点进行阐述研究。

1.定子功率分配关系及主要尺寸确定

无刷双馈电机的定子包含两组极对数不相同的绕组，它们是功率同控制绕组，这两组绕组的功率分配关系特殊。我们分别用pmp和pmc代表功率绕组和控制绕组输出的功率，用P来代表电机轴上的输出功率。定子绕组功率的正负分别代表绕组吸收电功率和发出电功率。在不考虑电机自身内部损耗的情况下，两绕组之间的功率关系为：

（1）

推导可得：

（2）

整理（2）式可以得到定子功率分配关系，即功率绕组和控制绕组功率分配之比与其对应的极对数成正比，应满足下面的关系式：

（3）

从上面的电机定子功率分配关系，同时根据设计之初所要用到的额定功率就可以计算出定子绕组中极对数大者的绕组功率，并且可以根据这项参数来设计电机的主要尺寸。

电机定子的主要尺寸我们可以根据异步电机设计方法通过下式能够求得

（4）

2.定子绕组的气隙密度及电负荷选取

电机在稳态运行时，气隙密度同定子绕组的极对数近乎成正比，具体关系如下：

（5）

上式我们可以看出，定子功率绕组和控制绕组气隙密度之比近似于两者的极对数之比，这个比例关系在定子绕组匝数的设计当中起着重要作用。

定子的功率和控制绕组它们所用的气隙和转子相同，由4式可以推导出：

（6）

（7）

我们只有考虑好定子两套绕组的电负荷才能更好的设计出电机的电负荷，我们可以将电机的电负荷认为是功率绕组和控制绕组电负荷之和。

故此电机的功率绕组和控制绕组的电负荷可按下式选取：

（8）

说明：A为电机的总电负荷，Ap、Ac分别为功率绕组和控制绕组的电负荷。

3.定子绕组极对数及形式的选择

3.1 定子绕组极对数的选择

无刷双馈电机的定子设计同一般的异步感应电机中电磁部分设计有相同之处，但因为在应用过程中对该电机的电磁之间联系有一定的相关规定，所以在定子绕组的结构形式和极对数的选择上应该进行针对性的特殊设计。

定子如果采用单绕组结构，定子的极对数很难很好的匹配到一起，给设计带来很大难度。如若要很好的改善这种情况，定子的绕组设计可以采用双绕组设计方案，双绕组是队里的两套三相对称绕组，极对数分别为2PP和2Pc，这种绕组设计方案是比较自由的，应用情况也比较多。

不管定子绕组采用单绕组形式还是双绕组形式，定子的绕组都在同一个定子上，这样它们必然用同一个相同的磁路空间，故此定子的功率和控制绕组所产生的磁场不可以直接耦合，不然会产生电机耦合。

而定子绕组极对数的选择就是为了将直接耦合降到最低。在选择定子绕组极对数的时候应注意以下几个方面。

（1）PP≠Pc功率绕组和控制绕组的极对数不能相等，这样两绕组产生不同周期的基波磁场，它们在磁场间所产生的作用相互抵消，结果为零;

（2）|PP-Pc|≥2，这样可以减少或者消除电机由于径向拉力和脉动的电磁转矩所产生振动和噪声。两者之间的差值越大效果越好;

（3）一般情况下应满足PP>Pc，因为一般选极对数多的PP作为功率绕组，极对数少的Pc作为控制绕组，这样可以减低相应变频器的容量，使电机的生产成本得以降低;

（4）PP=3Pc，这样可以产生比较强的对应谐波磁场;

（5）选择定子极对数一般有“和调制”同“差调制”两种方法。所谓“和调制”是指定子的极对数为两套定子绕组之和，而两套绕组极数只差称为“差调制”。“和调制”适用于低速运行的电机，“差调制”适用于高速运行的电机，具体情况要根据电机工作场合来确定。

通过上面的设计原则，无刷双馈电机定子极数配合方式最少应为：极对数功率绕组和控制绕组分别为3和1，选择方法“和调制”，因此转子的极数是4。

3.2 定子绕组形式的选择

定子绕组的形式主要分为单绕组和双绕组。单绕组方案是在无刷双馈电机的定子部分仅用一套绕组的设计方法，这种形式的定子绕组端中有两个引线端口。当我们观察角度不同时，所看到的定子绕组极对数是不一样的。

双绕组方案是指电机定子设计上采用功率和控制两套独立的绕组。这种绕组方案电机的材料利用率不高但它的优点是绕组设计灵活，绕组可以得到较高的绕组系数。大大提高了两种极对数的绕组的利用率。为了更好地设计双绕组方案，绕组连接形式同绕组节距的合理选择是我们应该注意的关键点。

例如一个无刷双馈电机定子绕组槽数是36、功率和控制绕组采用3、1的极对数接线方式时，定子绕组接线方式通常采用Y型接法，主要是为其不让三次及更大的谐波磁场有环流产生于定子绕组中。

我们了解了双绕组方案后，来介绍一下定子的两个绕组，即功率和控制绕组的连接方式，一种方式是整距绕组连接方式，一种是短距绕组连接方式。

本研究设计是按照一台（3+1）极无刷双馈电机的定子设计的流程，具体分析了定子功率分配关系及主要尺寸的确定方法，定子绕组的气隙密度及电负荷选取以及定子绕组极对数及形式的选择和定子绕组设计方案。为电机定子的具体情况分析和设计做出了阐述。

参考文献

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