无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究

毕业设计论文题目无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究
（院）系电气与信息工程系
专业电气工程及其自动化班级 000 学号 00045
学生姓名
导师姓名
完成日期 200年6月1日
（论文）任务书
设计（论文）题目：无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究
姓名：董帅系别：电气与信息工程系专业：电气工程及其自动化
班级：电机0002 学号：26 指导老师：李光中教研室主任：石安乐
一、基本任务及要求：
1、掌握双馈电机研究的背景、意义。

特别：研究转子绕组磁势的意义。

2、掌握转子的几种绕组构成的原理。

（包括笼型、绕线型等，并设计一绕线型
方案）
3、建立转子绕组磁势分析程序（笼型）。

4、计算分析。

5、结果分析。

6、对比研究、结论。

7、标准论文与毕业设计说明书各一套。

二、进度安排及完成时间：
毕业设计进程时间表
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅰ)
主要符号和公式 (Ⅱ)
第1章绪论 (1)
1.1无刷双馈电机研究的背景 (1)
1.2无刷双馈电机研究的意义 (2)
1.3无刷双馈电机研究现状 (5)
1.4 MATLAB发展史 (6)
1.5本文主要研究内容 (7)
第2章转子绕组的构成原理 (9)
2.1 定子绕组的结构 (9)
2.1.1 主、副绕组的极对数 (9)
2.1.2主、副绕组的型式 (10)
2.2 转子结构 (12)
2.2.1 电机转子的极数 (12)
2.2.2 转子结构型式 (12)
第3章基于实际电流比值情况下的转子磁动势计算模型 (21)
3.1单个线圈的磁动势计算 (21)
3.2一相线圈的磁动势计算 (25)
3.3整个转子绕组磁动势计算 (26)
第4章设计磁动势计算及转子磁势计算 (27)
4.1 MATLAB程序流程图 (27)
4.2控制绕组p=4建立的转子磁动势计算程序 (29)
4.3控制绕组p=4建立的转子磁势计算 (31)
4.4控制绕组p=2建立的转子磁动势计算程序 (38)
4.5控制绕组p=2建立的转子磁势计算 (40)
结束语 (48)
致谢 (49)
参考文献 (50)
无刷双馈电机转子磁动势谐波分析研究
摘要：本文系统的阐述了国内外对无刷双馈电机的研究情况，总结分析了目前的无刷电机并介绍了用于无刷双馈电机比较特殊的转子结构，从其运行原理的基础上，分析了转子的谐波磁势并推导了无刷双馈电机转子磁动势的计算方法（笼型转子），并用MATLAB进行了编程，同时给出了转子谐波磁势计算结果。

关键词：无刷双馈电机谐波磁势分析编程
Rotor MMF Harmonic Analysis of Brushless
Doubly-Fed Machine
Abstract: This text delicates the domestic and international research of Brushless Doubly-FED Machine，The summary analyzes to have no to brush currently the Brushless Doubly-FED Machine combines to introduce to used for having no to brush a The Brushless Doubly-FED Machine, From the foundation top of its movement principle, Analyze the rotor MMF harmonic and analyze the Brushless Doubly-FED Machines count means. MATLAB proceeded the plait distance, at the same times gave the plait the distance result.
Keyword: BDFM,MMF harmonic, analysis, program.
I
II
主要符号和公式
Nr ——转子每相线圈数
Pr ——转子的极对数
Zr ——转子槽数
v ——转子的谐波次数
ar ——槽距角
rn τ——机械弧度
rn i ——第n 个线圈的电流
r
pr p πτ2=——一相线圈的机械弧度 kyv ——v 对极的短距系数
krv ——v 对极的分布系数
)2
sin(2rn rn riv v v i F τπ=——单个线圈的谐波磁势幅值 ∑∞
==1)(cos )(v riv ri x v F x f ——单个线圈的谐波磁势
rqv F =rv yv r pr k k N i v
π2——一相线圈的谐波磁势幅值 ∑∞
==1
)(cos )(v rqv rq x v F x f ——一相线圈的谐波磁势
rxv r rv F p F )2/(=——pr 相线圈的谐波磁势幅值
∑∞
==1)(cos )(v rv r x v F x f ——pr 相线圈的谐波磁势
湖南工程学院毕业设计（论文）
第1章绪论
本次设计的课题是无刷双馈电机转子磁场磁动势谐波分析研究，在本章中先介绍了该电机的发展和研究状况、MATLAB的发展历史，还简要的介绍了该课题的主要研究内容。

1.1无刷双馈电机研究的背景
目前大量应用的交流电机主要是同步电机和感应电机。

由于结构上的差异，同步和感应电机一般不能兼用。

同步电机和绕线转子感应电机都采用电刷和滑环实现转子电路和外电路的连接。

由于滑动接触和电刷磨损，不仅降低了运行的可靠性，而且需要定期维护。

不同笼型转子感应电动机虽然具有结构简单、运行可靠等优点，但又不具备绕线型感应电机启动电流和转距可以控制、可以实现串级和双馈调速和同步电机转速稳定、效率高及因数可调的优点。

此外，在很多要求高性能的调速场合，直流电机以其优良的调速性能获得广泛的应用；但直流电机通过金属换向器换流，成本高，可靠性差，维护复杂，且存在换流火花，在安全性要求高的应用场合不能使用，因此直流调速系统将逐步被交流调速系统取代。

随着电力电子技术和变流技术的发展，交流调速已被越来越多的采用，甚至应用在大功率高性能的场合。

交流调速技术已形成了三个方面的发展轨迹：第一是以取代直流电机调速为目标的高性能、高精度、高频率调速技术；第三是以适应特大容量或特高速、特殊工作环境的调速技术。

目前交流变频调速系统正在向高性能、高精度、大容量、微型化、数字化和理想化的方向发展。

笼型转子感应电机以其结构简单、价格低廉和运行可靠等众多优势在交流调速系统中得到了普遍的采用，然而，由于笼型电机所需的变频驱动装置的容量要大于电机的额定功率，其价格是电机价格的二到三倍，特别是高压变频装置，价格便是电机的十几倍，因此限制了其在大容量范围内的推广应用。

近来人们又把研究重点放在了对绕线转子感应电机转差率控制系统（简称有刷双馈调速系统）的研究上，由于它控制的是具有转差率的转子电流，其功率为定子绕组输入功率的几分之一。

在风机水泵类负载中，由于其调速范围通常只在70%~80%的额定功率之间，因此，与上诉常规变频调速系统相比，这种驱动系
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无刷双馈电机转子磁动势分析研究
统只需要一个很小的功率转换器。

尽管采用绕线转子感应电机的双馈电机控制系统具有所需变频器功率较小的优势，但由于电机本身是有刷结构，运行可靠性差，需要经常维护，特别是有些易燃易爆的应用场合不能使用。

因此，近几年从事该领域研究的国内外学者开始把注意力转向了无刷双馈电机的研究上。

无刷双馈电机调速系统兼有上述笼型转子和绕线转子感应电机两种调速系统的共同优点。

1.2无刷双馈电机研究的意义和发展前景
无刷双馈电机是一种新型的，同时具有同步电动机和异步电动机特点的交流调速电机，结构和运行原理与传统的交流电机有较大的差别，无刷双馈电机的定子上具有两套极数不同的对称三相绕组，分别称为功率绕组和控制绕组，转子采用笼型或磁阻型的结构，取消了电刷和滑环。

通过电机的磁动势谐波或磁导谐波对定子不同极数的旋转磁场进行了调制来实现电机的机电能量转换。

如果改变控制绕组的连接方式及其外加的电源频率、幅值和相位可以实现无刷双馈电机的多种运行方式。

无刷双馈电机不但和笼型转子或磁阻型转子感应电机一样，取消了电刷和滑环，提高了电机运行的可靠性，减小了维护的成本，而且具有良好的启动与运行性能，并可方便地实现异步、同步，双馈和变速恒频发电等多种运行方式。

对该种电机的研究和开发可望有效解决制约传统交流电机及其调速系统发展的某些关键的技术问题，以及水力，风力发电系统的恒频变速问题，因此，对无刷双馈电机进行深入的研究具有十分重要的意义。

无刷双馈电机发电系统可以实现变速恒频发电，将目前电力系统的刚性连接变为柔性连接，能提高发电机组的运行可靠性及效率，大范围调节无功，为电网调压提供有效的措施；无刷双馈电机调速系统在调速传动时可向电网发出无功，改善功率因数，提高电网的稳定性，降低补偿装置的投资。

在许许多多的生产领域，如发电厂和钢铁企业中，水泵和通风机等负载面广量大，如果采用交流变频调速装置替代阀门，挡板来调节流量，可获得很好的节能效果。

然而，不幸的是在风机泵类负载中采用普通的变频调速系统，尽管可以起到良好的节能效果，但是存在的最大问题是变频器（特别是大中容量的变频器）的价格往往太高，使得大中型电机的变频调速变的可望不可及，有些观点认为，大中型电机采用变频器容量从而降低整个调速系统的成本成为在更大范围内推
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广变频调速节能的关键所在。

无刷双馈电机调速传动系统由专门设计的无刷双馈电机和变频调速装置组成。

在30%范围内调速时，所需变频装置容量仅为电机功率的15~30%。

在高压交流传动中，定子接工频高压电网，控制绕组接低压的变频装置，较好地解决了高压电机调速的关键问题，大大降低了变频装置的容量和成本。

该系统的价格仅为变频装置与感应电动机组成的系统的30~50%，因此对于节能降耗、提高经济效益有着巨大的现实意义。

当采用无刷双馈电机调速系统时，承担主要输入电功率的定子功率绕组可以直接由工频电网供电，而变频器只需要为定子提供“转差功率”，不仅降低了调速系统的成本，而且实现了无刷化，提高了系统运行的可靠性。

实现高压电机的变频调速一般有两种方法：一种是采用高压变频器；另一种是采用一高一低变频方案。

当采用高压直接变频时，由于需要采用多器件的串并联，线路复杂，技术难度大，系统的可靠性较差，而且高压变频器的价格比同容量的普通低压变频器要高得多；当采用高—低—高变频方案时，需要先用降压变压器把高压变为低压，经低压变频后，再用升压变压器升压，该方案的优点是可采用不同的低压变频器，缺点是多了两台同容量的变压器，增加了调速系统的成本。

如果采用无刷双馈电机的调速系统，功率绕组可以由高压电源供电，控制绕组由普通的低压变频器供电，则高压电机变频调速系统存在的上述问题可以的大有效的解决。

无刷双馈变频调速系统与其他调速系统相比，具有以下突出优点：
1）通过变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，从而降低了调速系统的成本；
2）功率因数可调，可以提高调速系统的力能指标；
3）与有刷双馈和串调系统相比，取消了电刷和滑环，提高了系统运行的可靠性；
4）即使在变频器发生故障的情况下，电动机仍然可以运行于感应电动机状态下；
5）电机的运行转速仅与功率绕组和控制绕组的频率及相序有关，而与负载转矩无关，因此电机具有硬的机械特性。

作为异步和同步通用的电机，无刷双馈电机可以实现无刷化和通用化，既具
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无刷双馈电机转子磁动势分析研究
有感应电机良好的自起动性能，又具有同步电机优良的运行性能。

同步电机和绕线式感应电机都采用电刷和滑环来实现转子绕组与外部电路的连接，由于滑动接触和电刷磨损，不仅降低了电机运行的可靠性，而且电刷需要定期维护和更换，增加了运行费用。

此外滑动接触容易产生火花，从而限制了有刷电机在含有易燃和易爆气体环境中的应用。

普通笼型感应电机虽然结构简单，但是它又不如绕线式转子感应电机控制那样方便，也不如同步电机的运行性能指标高。

因此，开发研制一种集各种电机优势，既无刷化（坚固可靠）又通用化（能实现多种运行方式）的新型交流电机是电机的一个重要的发展方向，也是当前我国电机制造业亟待解决的一项重大的技术难题。

目前在部分同步电机中采用的无刷励磁虽然取消了滑环和电刷，但并未使电机结构得到简化，而是将励磁控制元件固定在转子上随电机一起旋转，增加了电机结构的复杂性和制造成本，并未从根本上解决电机的运行可靠性问题，因为随转子一起高速旋转的电子元件和控制电路增加了转子运行的不可靠因数。

永磁电机虽然可以实现无刷化，但是由于其励磁不能调节从而限制了它的应用范围。

目前在国民经济各部门中大量的应用的同步电机和绕线式转子感应电机仍然采用有刷结构。

而大中型异同步无刷通用交流电机具有广阔的市场。

无刷双馈调速电机从根本上解决了无刷化问题。

除了无刷可靠外，该类电机的另一个特点是兼有笼型、绕线式感应电机和电励磁同步电机的共同优点。

通过简单的改变控制绕组的连接与馈电方式，可以方便地实现自起动、异步、同步和双馈等多种运行方式，使其具有良好的起动特性，又具有优良的运行性能。

无刷双馈电机作为变速恒频交流发电机，应用于水力或风力发电系统时，可以大大提高发电系统的可靠性。

水力或风力发电机一般极数较多，特殊的运行工况对发电机的可靠性提出了很高的要求。

近年来，将绕线式转子感应电机用于交流励磁发电机的研究工作已经引起了国内外众多学者的研究兴趣，取得了许多研究成果并已成功地应用于生产实际。

但绕线式感应发电机具有电刷和滑环，可靠性差是其致命的弱点。

无刷双馈电机作为交流励磁发电机，可以实现变速恒频恒压运行，特别适合于多极低速风力或水力发电系统。

无刷双馈电机的功率便可实现变速恒频发电，通过改变励磁电流的幅值和相位可以实现无功调节。

因此在水力和风力变速恒频发电系统中，无刷双馈电机具有广阔的应用前景。

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在我国，已经将“交流励磁变速发电机的研究”列为三峡水力发电机组技术急需进一步研究的几项关键技术的首位。

有理由相信，在对无刷双馈电机的研究取得重大的进展和突破后，将其用于抽水蓄能电站机组以取代绕线式感应电机，从而提高电机的运行可靠性，也是无刷双馈电机具有一个很有发展前景的应用领域。

1.3无刷双馈电机研究现状
无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machine，简写为BDFM）是一种结构简单坚固可靠、异同步通用的电机，可在无刷情况下实现双馈。

它具有功率因数可调、高效率的特点，可应用于调速系统和变速恒频发电系统中。

无刷双馈电机的产生与发展多年来，人们在交流电机无刷化和通用化方面做了大量的研究工作，将两台绕线转子电机同轴串级连接而获得的一种运行方式。

这种方法首先在1893年由美国的Steinmeis和德国的Gorges所发现。

由于采用这种方法可以获得低速运行，所以曾引起人们广泛的注意。

为了降低成本和提高运行性能，曾经有几次发展单一机组串级电机的尝试，其中贡献最大的是Hunt[1]。

Hunt电机具有一套转子绕组和一套具有不同级数的定子绕组，并且具有一个共同的磁路，它可以在电阻控制的方式下获得高启动转距和速度控制，实现了无刷化。

后来Greedy对这种电机进行一步的改进，为之设计了精巧的定转子绕组[2]。

但是由于定转子绕组极数配合及绕组设计上的种种限制，该电机未能进入使用。

直到70年代，Broadway等对Hunt电机进行了较大改进，简化了转子绕组，并使定转子绕组极数配合的范围进一步扩大[3]，将自串级感应电机理论向前推进了一大步。

后来Broadway又将相调制理论应用到极变换绕组中，从而使定子绕组对称化，简化了定子绕组，使之可以通过对普通双层绕组经过适当的连接来得到，这为BDFM电机进入实用铺平了道路。

到了80年代中期，Heyne和EI Antably在串级电机的基础上设计制造了一台8+4极样机，获得了较高的性能指标。

80年代末90年代初，无刷双馈电机动态数学模型和两轴数学模型的建立[7、8]，为BDFM的动态仿真和控制性能的优化提供了坚实的基础。

各种控制方法被应用于BDFM，如标量控制、磁场定向控制、直接转距控制、模型参数自适应控制等等。

而电力电子器件和微处理器的发展，如IGBT、8XC196、DSP等，又
进一步促进了BDFM的发展。

目前，国外都在研究及开发无刷双馈电机调速系统，在美国、德国、俄罗斯等国已有成功经验，效果很好，并已在工业电力传动和恒频恒压发电领域应用。

在交流变频调速系统方面，一些性能优良的系统得到了广泛的应用，如矢量变换控制感应电动机变频调速系统、直接转距控制感应电机变频系统、自控式同步电动机变频调速系统、自控式交-交变频双馈电机调速系统。

近十多年来，国外双馈电机进行了广泛的研究，在工业应用领域得到应用，在某写领域应用显示出独特的技术优势。

如前苏联系列化生产315~2000KW的双馈电机调速系统；日立公司在90年代初研制容量高达395MW系列恒频恒压双馈发电机系统。

目前，国外对BDFM的研究已从对电机结构的改进阶段，发展到通过建立比较准确的数学模型，找到适于BDFM的控制方法，从而使BDFM实用化的阶段。

美国Oregon州立大学在建模及控制策略方面做了较多的研究，先后提出了网路模型、d-q轴数学模型、同步数学模型及基于这三种模型的许多控制方法。

近来，BDFM应用方面的研究也比较热门，如风力发电、中高压调速系统等。

但是，应当看到，这些研究都是建立在线性化电机模型的基础上，尚未建立电机完整的、精确的“场路结合”的数学模型，对电机饱和及谐波也没有进行深入研究。

我国对双馈电机的研究始于90年代中期，有一些大专院校对于此技术有一定研究。

但到目前为止，研究工作还仅限于实验室研究，还没有研制出实用化的样机，因而双馈电机研究及应用与国外有较大的差距。

近几年来，国内对同步电机无刷励磁、绕线式感应电机双馈调速都有不同程度的研究，然而对BDFM 的研究却极少见。

国内文献对这种电机的原理及性能做过简单介绍，但没有对其深入探讨。

目前国内同步电机采用的无刷励磁是将控制励磁的元件固定在转子上一同旋转，不是从电机运行原理上解决无刷问题；绕线式感应电机的双馈调速与BDFM有类似特性：可异同运行、功率因数可调、变频器容量小，但它是有刷电机，在结构上存在固有的缺陷。

因此，非常有必要对BDFM进行研究。

1.4MATLAB的发展历史
MATLAB的产生和数学计算的紧密联系在一起的。

70年代中期，Cleve Moler博士及其同事在美国国家基金会的帮助下，开发了LINPACK和EISPACK的FORTRAN语言子程序库，其中EISPACK是用于特征值求解的，
LINPACK的用于线形方程求解的，当时这两个程序库代表了矩阵运算的最
高水平。

仿真是一种可以控制的、无破坏性的、允许多次重复的、不受外界条件限制，功能比较齐全的试验手段。

仿真技术是以控制论、相似原理和计算机技术为基础，以计算机和多种物理效应为工具，借助系统模型对真实的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。

通过仿真实验，可使设计人员加深对系统的理解，对研制过程出现的问题快速研究并加以解决计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对存在的或设想中的系统进行实验研究。

仿真技术在电力电子电路方面的应用，是其众多应用中很重要的一部分，成为开展这方面研究的必不可少的重要工具。

在电力电子电路的设计中，计算机仿真主要用于设计方案的验证、系统性能的预测、新产品潜在问题的发现以及解决问题方法的评价等。

它主要解决两个问题，即如何建立电路方程和如何求解电路方程。

自20世纪70年代至今，电路仿真所用的分析方法主要有：状态变量法、节点分析法、改进的节点分析法和状态空间平均法等。

这些建模方法各有优点和不足，都有自己的使用范围，在具体使用时，要根据具体目的采用相应的方法建立具体的仿真模型。

对于开关型变换器这样一个强非线性的时变系统，要准确地分析其空间和动态性能往往是非常困难的。

建立精确的数学模型一直是电力电子学领域的一个难题，通常只有假设一定的条件，而忽略一些次要的因素，才能得到在一定范围内适用的数学模型，为分析和设计电路提供帮助。

其建模通常有2种方法：①根据器件内部载流子运动的物理规律建立物理－电气模型；②根据器件外部行为建立等效宏模型。

近十几年来，国内外许多学者在电磁器件的建模方面做了大量工作，首先需要解决的问题是描述磁性材料磁化特性，其中比较实用的模型有物理含义明确的J-A模型和使用一般元器件模型构造的宏模型。

在磁性材料模型的基础上，综合运用法拉第、安培和高斯3大电磁定律，可以确定电磁器件的磁路模型。

再根据电路与磁路的对耦原理，即可建立电磁器件的电路模型。

总之，控制电路的建模、理论分析和计算机仿真技术已经比较成熟，而功率电子器件和电磁器件的实用仿真模型，特别是参数获取技术有待进一步完善。

随着科学技术的进步，电机技术的不断发展，仿真技术的日益完善，我相信仿真在电机性能测试和控制方面的应用应该越来越广泛，且仿真的精度越来越高。

1.5本文的主要研究内容
从前述的研究现状可知，关于“无刷双馈电机转子磁动势”的分析研究，尤其在“转子磁势”计算程序的研究方面，尚未发现有详细的报道，因此本文研究这一问题. 其主要研究内容包括以下几个方面：
（1）转子绕组的构成原理;
（2）基于实际电流比值情况下的转子磁动势计算模型;
（3）设计磁动势计算程序及转子磁势计算.
第2章 转子绕组的构成原理
与常规的交流电机相比，无刷双馈电机具有复杂的结构，而且具有多种定子绕组和转子结构型式。

本章先对该种电机的定子绕组作分析，然后针对笼型转子和绕线型转子以及其他转子的构成和特点进行探讨。

2.1定子绕组的结构
无刷双馈电机的定子铁心无异于常规交流电机的定子铁心，然而，无刷双馈电机的定子绕组却与传统的交流电机绕组有较大的不同，因为在该种电机的定子绕组要求能在同一气隙中产生两种不同的极对数磁场。

从理论上讲，这种要求可以通过以下几种方法来实现：
1、独立的定子绕组：在定子上安排两套分别对应于两种不同极对数的绕组；
2、多并联支路单套绕组：定子绕组每相有三个或三的倍数个并联支路，通过内部对不同相支路的连接，形成另一种极数的绕组；
3、内部交叉连接绕组：主要用于极对数的配合比率为“奇：偶”或“偶：奇”的情况；
4、极幅调制（PAM ）绕组：这种绕组每相有两个并联通路，通过对每相一半绕组中的电流反相来得到另一种极数的绕组。

这种绕组适用于任何极数，但可能会导致调制后生成的极数下绕组的分布系数较低。

2.1.1主、副绕组的极数
当绕组供电频率一定时，电机的极数决定了电机的转速，因此可以根据电机转速的要求合理的选择主、副绕组的极数。

当定子主、副绕组的极数分别选择为2p 和2q 时，无论采用笼型或其他结构的转子，电机转子的极对数一般选为：p r=p+q ，这时的无刷双馈电机等效于一台（2p+2q ）极的交流电机。

当双馈运行时，电机转速与主、副绕组电流频率和电机极数之间的关系为
若主、副绕组电流同相序时，上式分子中取正号，称为超同步运行；若主、副绕组电流反相序时，上式分p
q f f n q p +±=*60。