新型转子无刷双馈电机电磁设计*

王秀平， 张凤阁

(1.沈阳工业大学，辽宁沈阳 110870;2.沈阳工程学院，辽宁沈阳 110136)

0 引言

无刷双馈电机是众多学者们关注的新型交流感应电机。它具有许多优点，结构简单，无刷可靠，所需要的变频器容量较低，非常适用于变速恒频风力发电［1-2］。

无刷双馈电机源于单定子自级联感应电机，在相同磁路中产生了两个不同极数的气隙磁场［3］，经过 Hunt和 Broadway 的改进之后，该电机鲁棒性和可靠性再次引起了学者的兴趣。当时，无刷双馈电机具有两套不同极数的定子绕组，由工作原理希望两套绕组之间没有直接的耦合关系，他们的耦合仅依靠转子。因此，转子是影响无刷双馈电机的耦合性能的主要因素，寻求良好性能的转子结构是学者们研究的热点问题之一。

无刷双馈电机的转子结构首先具有对两套定子绕组具有良好的“极数转换器”的作用，也就是在机电能量转换中产生较高的有用谐波及参数较低的无用谐波。转子结构还需要具有良好的动态和静态性能，并且从工艺上易于实现。

Broadway 和 Burbidge［4］提出了笼型转子结构，并将其应用于无刷双馈电机，Richard Mcmahon［5］设计了笼型转子和绕线型转子，并对这两种转子结构电机进行了对比研究。Longya Xu［6］研究了径向叠片磁阻转子结构的无刷双馈电机，并用试验证明了电机本体上达到了96%的高效率。王雪帆研究了基于齿谐波原理和变极原理的绕线转子无刷双馈电机［7］，并证明了该类型转子无刷双馈电机具有良好的效率。

研究并寻求高效率，同时结构简单、工艺易于实现的无刷双馈电机转子结构，依然是学者们研究的目标。论文在分析了无刷双馈电机的结构之后，对新型的转子结构进行了分析，得到了优化的转子结构形式，为无刷双馈电机的推广应用及转子的设计提供了新选择。

1 无刷双馈电机的原理与结构

无刷双馈电机定子上有两套不同极数的三相对称绕组，定子功率绕组，极数为2pp，运行时直接与电网相连，定子控制绕组，极数为2pq，运行时通过双向变频器与电网相连。两个极数与转子极对数pr的关系如下:

因为两套定子绕组具有不同的极数，他们所产生的不同极数的两个磁场共同存在于同一铁心中。功率绕组和控制绕组的作用相当于传统的绕线式异步电机的定子和转子绕组，其结构形式如图1所示。

图1 无刷双馈电机结构示意图

无刷双馈电机具有多种运行方式［8-9］，包含异步单馈运行方式，同步运行方式和双馈运行方式等。转子转速与电磁转矩无关，满足式(2):

这里ω1和ω2分别是定子功率绕组和控制绕组的角频率。当控制绕组接直流时，电机的自然同步转速为

多种运行方式的优势使无刷双馈电机特别适用于变速恒频风力发电机系统。

2 无刷双馈电机的设计

2.1 定子设计

无刷双馈电机在双馈运行方式时，两套定子绕组均被激励，所产生的两个不同极数的旋转磁场，依赖特殊转子的磁场调制作用，两定子绕组之间没有直接的耦合关系。因此，对于不同的转子结构，只要满足极数关系，定子可以相同，单定子单转子结构被多数学者们所认可。定子绕组分为单绕组和双绕组结构，但是单绕组结构的优点是节约铜线，槽满率低，易于嵌线，但是它对两套绕组的限制较多，有些情况甚至无法实现，工艺上也复杂。双绕组结构的设计思想是两套定子绕组独立设计，非常容易实现不同极数的配合，原理上特别易于实现，因此被多数研究者所采用。为了减少高次谐波和互感电动势，定子绕组选择用双层和短距绕组，实现方式与常规异步电机无异。设计无刷双馈电机样机定子尺寸如表1所示。

表1 无刷双馈电机定子结构参数

图2显示了双层定子绕组的槽电动势星形图。为减少制造成本，定子铁心选用现成的Y系列电机的定子冲片，相对于传统的异步电机，产生相同的功率，定子内径约需扩大30%。

图2 槽电动势星形图

2.2 转子设计

目前无刷双馈电机还没能应用于工业生产中，重要的原因在于该电机的磁场调制能力不高，从而导致电机的效率不高。转子在机电能量转换中起着决定性作用，因此寻求良好磁场调制性能的转子结构，是提高该电机效率和推进产业化的关键所在。无刷双馈电机主要有两类转子，笼型转子和磁阻类转子。笼型转子磁场调制能力不高，而且转子笼条电流流过存在铜耗，因此效率不高;磁阻类转子分为普通凸极磁阻转子、磁障式磁阻转子和混合转子。论文对上述四种转子进行了有限元分析，根据气隙磁通密度的傅里叶分解，研究有用谐波的大小，得到他们的磁场调制能力。12/8极四种不同转子结构的无刷双馈电机有限元模型如图3所示。前期研究已经证明，普通磁阻转子无刷双馈电机(图3(b))的磁耦合能力较弱，为了改变磁通流向，使跨极磁通进一步减少，在普通磁阻转子的凸极上加上隔磁层，增大d轴磁通，减少q轴磁通，有望增强磁场调制效果，称为磁障式磁阻转子，如图3(c)所示。图3(d)是一种新型的转子结构形式，在磁障式磁阻转子基础上，加上公共笼条，笼条沿轴向均匀放入，并将两个端部都短路，这样做可以为电机输出更大的电磁转矩。

图3 不同转子结构无刷双馈电机

利用有限元分析软件，对磁场调制能力进行分析。图4显示了混合转子气隙磁密和有效谐波大小。从图4可看出机电能量转换的过程，当功率绕组单独激励时，产生了最大的6次谐波(12极)和较大的4次谐波(8极)，同理，当控制绕组单独激励时，产生了最大的4次谐波和较大的6次谐波。当无刷双馈电机运行时，气隙中所产生的有用谐波(即6次谐波和4次谐波)通过上述转子完成能量交换。

图4 新型转子无刷双馈电机气隙磁密波形和气隙磁密傅里叶分解

图5显示了四种不同转子结构无刷双馈电机在功率绕组和控制绕组分别单独激励时的谐波大小。由图5可看出，按照笼型转子、凸极磁阻转子、磁障式磁阻转子和笼条及磁障结合式转子的顺序，不管是8极绕组单独激励，还是4极绕组单独激励，其气隙磁场中有用谐波(4次和2次谐波)的含量逐步增大，而对机电能量交换无用的高次谐波含量逐步减小，具有明显的规律性，证明了四种转子的磁场调制能力从前往后逐步增大。笼条和磁障混合转子具有最优的磁场调制效果，并且具有良好的起动性能，是一种有着广阔前景的新型结构转子形式。

图5 不同转子在单独激励时谐波大小

图5中，转子类型和曲线代号分别表示为

1——笼型转子;

2——普通凸极磁阻转子;

3——磁障式磁阻转子;

4——笼条和磁障混合转子;

Curve1——4次谐波(8极)含量大小;

Curve2——2次谐波(4极)含量大小;

Curve3——高次谐波(前30次)含量大小。

3 结语

无刷双馈电机在风力发电系统和交流调速领域具有广阔的应用前景。论文研究了几种不同转子结构无刷双馈电机的磁场调制能力，并提出了最优转子结构形式，结论如下:

(1)无刷双馈电机定子电磁设计可参照常规交流电机进行，其定子冲片也可借助现有系列电机冲片来应用。

(2)转子设计是无刷双馈电机设计的关键，对四种常见转子结构进行分析，利用有限元对磁场进行计算，通过分析气隙磁密中有效谐波的大小，来分析不同转子结构的磁场调制能力。

(3)论文研究表明:笼条和磁障混合转子结构，具有优异的磁场调制能力，是一种极具前景的新型转子结构。

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