无刷双馈电机的结构特点和应用场景

无刷双馈电机实际上是一类交流励磁异步化同步电机，是从两台绕线转子感应电机同轴串级连接演变而来的。这种由两台绕线转子感应电机同轴串级连接的结构首先由美国的Steinmetz和德国的Gorges分别于1893年和1894年独立提出的，其结构示意图如图5-1所示。后来，Hunt、Broadway等人对这种结构进行了较大改进，进而将两台电机合二为一。

图5-1　两台绕线转子异步电机同轴串级连接

图5-2为变速恒频无刷双馈风力发电系统的结构示意图，该系统主要包括风力机、齿轮增速箱和无刷双馈发电机（BDFG）。

这种发电机的转子所起的作用与传统的交流发电机不同，由于定子上的功率绕组和控制绕组的极数不同，而它们都是通过BDFG的转子来实现电耦合，因此BDFG的转子起到“极数转换器”的作用，这就要求BDFG的转子具有确定的极数。

图5-2　变速恒频无刷双馈风力发电系统的结构示意图

1.定子结构

无刷双馈发电机的定子上有两套极数不同的绕组：①通常将用以承担主要功率传输的定子绕组称为功率绕组（Power Winding）或主绕组（Main Winding），它直接接入工频电网，用作电能输出；②用以控制发电机运行方式的定子绕组［称为控制绕组（Control Winding）或副绕组（Auxiliary Winding）］通过双向变频器与电网连接，用作交流励磁。一般功率绕组极数较多，控制绕组极数较少，这样作为电动机调速或作为发电机运行都能够降低变频器的容量。定子在设计时既要考虑在空间产生两种不同极对数磁场又要保证无刷双馈电机的定子功率绕组和控制绕组两套绕组不能有直接的电磁耦合。这就要求当某套组绕组通过电流时，其在另一套组绕组的出线端产生的合成感应电动势为零或出线端之间的线感应电动势为零，反之亦然。这样可以避免功率绕组和控制绕组端口通电时引起附加电流。此外定子绕组在选择线圈节距和线圈组排列时，需要同时考虑如何尽可能消除两种极对数下的有害谐波。

无刷双馈电机定子绕组有两种常用方案：

（1）两套定子绕组方案。在定子铁芯上分别安排两套两种不同极对数的绕组。

（2）单套绕组方案。无刷双馈电机的两套绕组共用一套绕组，通过合理排布使得电机定转子气隙中产生两种不同极数的旋转磁场。

两套定子绕组方案是无刷双馈电机在定子绕组设计中最为简单的一种方法，当定子功率绕组和控制绕组采用两套独立的绕组时，由于每套绕组各自线圈节距或排列方式均按照单套绕组设计原则，可以采用各自的分布和短距绕组，在设计时可以尽可能采取各自较高的绕组系数，以消除某些谐波的影响。这样的绕组设计具有较大的选择空间，两套绕组的设计方式具有较好的灵活性。但是，采用两套绕组方案时为了能够放置两套极对数绕组，有些槽中需要放置4层绕组，有些槽放置2层绕组。这样槽的利用率低，从而导致电机的有效材料利用率降低。

采用单套绕组方案时，虽然可以大大提高电机槽的利用率，从而提高电机铁芯材料的有效利用率，但是单套绕组方案要兼顾功率绕组和控制绕组各自的性能，不易兼顾到两套绕组的最优绕组系数。另外要求单套绕组在排布后功率绕组和控制绕组要满足正交性，从而限制了绕组设计的灵活性，往往需要对比多个方案，折中选择最优。另外，绕组节距的选取也要受到限制。

单绕组方案已在单绕组多速电机中得到了成功的应用，即采用同一套绕组经不同的出线端供电以产生出不同极对数磁场的方案。通常为使一套定子绕组采用两套电源供电时能够产生两种不同极对数的磁场并能保持两磁场激励源互相独立，需要对定子绕组的构成做出特殊的安排。对于采用单套绕组无刷双馈电机来说，一般一套定子绕组应有6个出线端，分别为功率绕组（接电网）和控制绕组（接变频器）端口。当两个端口同时供电时，会产生两个独立的、不同极对数的旋转磁场。在设计时需要保证两套供电电源互相之间不产生干扰。

无刷双馈电机在运行时，一般将多数极作为功率绕组，以降低控制绕组的电流，这样功率绕组的节距较小而控制绕组的节距较大，为嵌线方便，一般将控制绕组置于槽底，将功率绕组置于槽顶，但是这样会对散热产生不利影响。

2.转子结构

无刷双馈电机的转子是最重要的部分，它耦合极对数不同的定子功率绕组和控制绕组，直接影响电机的功率密度和运行性能，也就是说极对数不同的定子主、副绕组通过转子绕组来实现电磁能量传递。目前转子结构磁场调制机理有：①笼型或绕线型转子的磁势谐波调制；②磁阻型转子的磁导谐波调制。不同转子结构的无刷双馈电机在性能上有很大差别，这里介绍目前普通的无刷双馈电机转子结构。

转子的结构形式很多，比较有代表性的有如下4种：(www.xing528.com)

（1）磁阻式结构。磁阻式结构分为普通凸极磁阻转子、带磁障的磁阻转子和各向异性轴向叠片（ALA）磁阻转子，如图5-3所示。

图5-3　常用磁阻型转子结构示意图

磁阻式结构转子具有较明显凸极转子个数，一共形成pr个凸极磁阻磁极，即

式中　pp——无刷双馈电机定子功率绕组的极对数；

pc——无刷双馈电机定子控制绕组的极对数。

磁阻式结构中的凸极磁阻转子，其定子、转子之间气隙不均匀。尤其以轴向叠片各向异性（简称ALA）转子的耦合作用最强。

（2）笼型绕组结构。笼型绕组结构与鼠笼型异步电机转子类似，如图5-4所示，定子、转子之间气隙均匀，但其笼条之间连接为pr组同心圈结构（pr=pp+pc），笼条端部连接可以采用各回路独立的连接形式，也可以采用公共导条的连接形式。

图5-4　特殊笼型绕组转子结构示意图

图5-5　混合型转子结构示意图

（3）笼型和磁阻转子的混合结构。笼型转子易于制造但运行性能不够理想，ALA磁阻转子运行性能好但转子难以制造，混合转子在笼型转子结构上设置适当磁障，工艺上复杂程度增加不多，但提高了笼型转子的磁场调制功能，兼具笼型和磁阻转子特点，如图5-5所示。

（4）绕线型转子结构。这种新型绕线型转子结构设计灵活，是目前最有研究价值和应用前景的转子结构。上述3种结构转子无刷双馈电机中，磁阻型由于依靠转子气隙磁导调制，其电机容量不易做大，应用前景有限。笼型绕组存在谐波含量大，运行性能不理想问题，目前也达不到工业应用水平。绕线型转子的设计均能设计出较好的转子结构，其中变极法和齿谐波法尤为特殊，不仅设计灵活，而且能有效降低转子中的无用谐波，提高导体利用率，使电机的效率提高、体积减小、容量增大。

前3种类型转子结构中转子极对数的选择与定子绕组的极对数有关。电机转子极对数由式（5-1）计算。

当转子极对数pr=pp+pc时称为“和调制”；pr=pp-pc时称为“差调制”。一般pp＞pc。采用“差调制”的等效极对数较少，电机自然同步转速较高，两种极对数的定子绕组电流产生的电磁转矩方向相反，电机的启动转矩较小，整个电机的电磁功率为定子两种极对数绕组提供的电磁功率之差；采用“和调制”时，等效极对数较多，电机自然同步速转速较低，整个电机的电磁功率为定子两种极对数绕组提供的电磁功率之和。由于“和调制”下的电机具有较好的特性，比较适合低速风力或水力发电，所以通常采用“和调制”方式。

采用绕线型结构转子仍采用三相绕组，其特殊排布使转子绕组具有两种不同极对数，分别与定子绕组pp对极和pc对极相耦合。可以把转子绕组看成两套反相序相接的绕组，因此不存在转子单一极对数概念。