CN103780035B - 一种横向磁通相段式无刷双馈感应电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种横向磁通相段式无刷双馈感应电机，旨在提高功率和转矩密度，可直接驱动，实现无刷双馈调速或调频控制。该电机包括功率和控制定子与转子相环体。功率定子相环体(101)、功率转子相环体(102)、控制定子相环体(103)、控制转子相环体(104)是在用无磁钢材料制造的两部分环体盒内，安装一圆周阵列铁心(1)，铁心U型槽中贯穿对应相绕组(2)；各相功率定子相环体(101)与功率转子相环体(102)，各相控制定子相环体(103)与控制转子相环体(104)隔气隙同轴心环套，以相分段装配；各同相的功率转子相环体(102)与控制转子相环体(104)的相绕组(2)分别串联成闭合回路。本发明具有通用性，特别适用于风力发电机等领域。

Description

一种横向磁通相段式无刷双馈感应电机

技术领域

本发明涉及一种交流无刷双馈电机，特别涉及一种横向磁通相段结构的无刷双馈感应电机。

背景技术

随着风力发电、水力发电、风机和泵、矿山机械、舰船电力等领域大功率电气传动技术的发展，人们对低速、大功率、高转矩密度、直接驱动、无刷双馈调速或调频电机的要求日益迫切。这类电机大都属于感应电机，其中风力发电机是发展的热点，是这类设备的代表性产品。

以风力发电机为例，在双馈感应发电机DFIG(double-fed induction generator)系统中，慢速旋转的风力机通过齿轮变速箱轴系与快速旋转的发电机转子连接，齿轮变速箱传速比高达100以上。变速恒频风力发电机的定子绕组的电压频率，在双馈变频器电机侧接口经过电刷与滑环对发电机转子绕组直接加载励磁电流时，由下述公式表示(下标p表示功率电机，下标c表示控制电机或控制侧变频器，下同。)：

$f_p=\frac{n_r{p}_p}{60}+f_c---\left(1\right)$

可见，发电机功率定子绕组的电压频率是转子的机械转速折算成与电机极对数相关的电角度频率与控制变频器所直接加载的转子励磁电流频率之和。

基于绕线式转子或笼型转子的无刷双馈感应电机：BDFM(brushless doubly-fedelectrical machine)在理论分析方面已经取得长足进步。无刷双馈电机的电动机调速或发电机调频实质上是一种间接励磁方式，不用电刷和集电滑环，其特点是运行可靠，所需变频器容量小，不但可以运行在亚同步转速区，而且可以运行在超同步转速区。

无刷双馈电机是双电机结构，是由级联异步电机发展而来，它将两台绕线转子异步电机同轴级联，其中一台为功率电机，另一台为控制电机，并且功率电机与控制电机的转子绕组正相序或反向序连接，构成一个拖动机组。级联式BDFM通过改变控制电机定子绕组的电流频率对功率电机实施调速或调频控制。

近年来，在级联式BDFM的基础上又发明了单电机的BDFM，从技术本质上看，单电机BDFM仍是功率与控制两个电机的复合集成。现有单电机BDFM的定子和转子铁心结构与普通异步电机几乎完全相同。在定子铁心中嵌入功率与控制两套绕组。其中功率绕组的极对数为p_p，控制绕组的极对数为p_c。转子铁心内放置多组环路结构的短路导条，转子短路导条的环路组数(巢数)通常为p_p+p_c。功率与控制两套定子绕组产生的磁场通过一个共同的磁路与转子短路导条环路组(巢)耦合；同时转子磁场的极对数随定子磁场的极对数自动转换，以产生稳定的电磁转矩。单电机BDFM的磁场极对数转换效率与电机结构密切相关，可是，单电机BDFM结构必定受到传统径向磁通电机主体结构制约，所以这种电机的磁场极对数转换效率并不理想。

BDFM电动机的调速，由下述公式表示：

$n_r=\frac{60(f_p\±f_c)}{p_p+p_c}---\left(2\right)$

BDFM变速恒频风力发电机功率定子绕组电压频率，由下述公式表示：

$f_p=\frac{n_r{p}_p}{60}+(f_c-\frac{n_r{p}_c}{60})---\left(3\right)$

公式(3)等式右边括号内的表达式是控制转子绕组感应电流相对于转子转速的转差频率。

以上涉及的现有的无刷双馈感应电机存在的技术问题有：

现有BDFM沿用径向磁通主体结构，磁通经过的齿部和电枢绕组所在的槽部占用同一圆环截面，齿与槽的宽度相互制约，输出功率和转矩密度难以得到根本的提高。

现有BDFM受径向磁通结构制约，极对数不可能增加很多，难以实现直接驱动。如在大型风力发电系统中，风力机只能通过齿轮变速箱来驱动发电机，导致机械损耗加大，故障频繁，维护维修成本增加。

现有BDFM的定子铁心内置功率与控制两套不同极对数的绕组，与转子短路导条环路组共用同一个磁路，磁场极对数转换效率与电机结构密切相关，还是受径向磁通主体结构的制约，磁场极对数转换效率并不理想。

要从根本上解决BDFM存在的上述技术问题，出路之一在于，摆脱传统径向磁通结构束缚，在新型感应电机设计中采用横向磁通电磁结构。然而，结构问题正是长期以来阻碍横向磁通电机发展的主要原因。为了在新型无刷双馈感应电机中采用横向磁通电磁结构，还需要解决下述三方面的技术问题：

第一，在横向磁通电机定子或转子中，一系列呈圆周阵列分布的铁心是离散的；贯穿一系列离散铁心槽的绕组，无论有无骨架，都缺乏机械强度；在定子与转子之间气隙两侧，定子铁心和绕组与转子铁心和绕组之间，存在强大的电磁作用力，要求有相等的机械结构力与之平衡。根据横向磁通感应电机的定子与转子的电磁结构特征，需要创造一种机械结构，以满足横向磁通感应电机电磁结构的机械形体构造要求，并具有足够的机械强度。

第二，磁通流向由径向改变为横向，磁力线所在平面转了90°，这使得在径向磁通电机中一直普遍大量使用的硅钢片，在横向磁通电机中难以直接使用了。硅钢片具有令人满意的低成本、低铁耗和在高磁通密度(1.0～2.0T)下的高导磁率等特性。硅钢片的这些优点是现今任何其它电机铁磁材料都不具有的。在径向磁通电机中，硅钢片沿轴向叠装，硅钢片平面即磁力线所在的径向平面与电机的旋转方向平行。在横向磁通电机中，需要创造合适的制造方法，以比较简单的加工工艺采用硅钢片制造铁心磁极，而且，要使硅钢片平面即磁力线所在的横向平面与电机的旋转方向垂直。

第三，在径向磁通的感应电机，包括BDFM中，定子或转子的前端和后端存在铁心槽之外的绕组端部，会产生漏磁和电磁干扰；在现有横向磁通电机中，由于定子或转子的铁心都是离散的，在离散铁心间隔处，也存在暴露在铁心绕组槽之外的绕组导体，同样会产生漏磁和电磁干扰。需要在设计横向磁通电机定子或转子机械结构时，同时考虑对离散的铁心和暴露在磁极间隔处的绕组导体采取电磁屏蔽措施。

发明内容

本发明，一方面：针对现有BDFM的输出功率和转矩密度难以提高，极对数增加都受到径向磁通结构制约，电机不能直接驱动，以及单电机BDFM内置功率和控制两套不同极对数的定子绕组与转子短路导条环路组共用同一个磁路，定子与转子磁场极对数转换效率不高的技术不足；另一方面：针对现有横向磁通电机，需要创造合适的结构方式，解决定子与转子电磁结构与机械结构统一的形体构造，解决以简单的加工工艺采用硅钢片制造铁心，解决定子或转子部件电磁屏蔽问题，提出了一种横向磁通相段式无刷双馈感应电机的技术方案。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种横向磁通相段式无刷双馈感应电机，包括功率和控制各相定子相环体与转子相环体，功率定子相环体101、功率转子相环体102、控制定子相环体103、控制转子相环体104是在用无磁钢材料制造的两部分环体盒内，安装一个圆周阵列属于4种相环体之一的铁心1，铁心的U型槽口朝向气隙圆弧面，U型槽中贯穿一个属于4种相环体之一的相绕组及其定位环2；功率定子相环体101或控制定子相环体103的铁心1的磁极端面露出环体盒内圈，功率转子相环体102或控制转子相环体104的铁心1的磁极端面露出环体盒外圈；各相功率定子相环体101与功率转子相环体102，各相控制定子相环体103与控制转子相环体104隔气隙同轴心环套，以相分段装配；各同相的功率转子相环体102与控制转子相环体104的相绕组2分别串联成闭合回路。

本发明技术方案进一步概述如下：

在两部分对称或不对称的功率定子相环体101的前盒11和后盒13，功率转子相环体102的前盒14和后盒16，控制定子相环体103的前盒21和后盒23，控制转子相环体104的前盒24和后盒26之内，设置安装一个圆周阵列属于4种相环体之一的铁心1和对应相绕组及其定位环2的组合体的凹凸型构造6，以及两部分环体盒拼合连接孔5和相绕组出线孔4；两部分环体盒的拼合面设有绝缘隔离层8，环体盒环形外表面为散热器形状，两部分环体盒采用绝缘螺钉或螺栓拼合固定。

属于4种相环体之一的铁心1由U型硅钢片槽口边，沿气隙定子侧或转子侧圆弧面平行粘贴叠装制成，U型硅钢片平面垂直于电机旋转方向；组成一个铁心的U型硅钢片外形一致，U型槽深度依贯穿其中的对应相绕组及其定位环2的圆环形状，由铁心中部向两端，分2～3个阶段加深；U型硅钢片两侧边设有2个定位缺口，叠装后在铁心两侧形成2道弧形凹槽3，与两部分环体盒内壁对应的两道凸起7吻合；铁心1的U型槽口朝向气隙圆弧面，沿气隙定子侧或转子侧呈圆周阵列分布，铁心磁极端面的弧长等于或稍大于相邻两个铁心的间隔。

功率定子相环体101或控制定子相环体103的相绕组的内圈，功率转子相环体102或控制转子相环体104的相绕组的外圈设有由无磁钢材料制造的定位环。

功率或控制定转子相数相等；当设定功率和控制定子或者转子各相环体的铁心1轴向对齐，则功率和控制转子或者定子各相环体的铁心1绕轴心线相互错开的空间角度等于360°除以相数与极对数的乘积。

在功率与控制转子相环体间隔处的转轴上设置散热风叶轮。

功率和控制定子相环体的相绕组的接口分别与双馈控制变频器的电网侧和电机侧接口连接。

本发明的显著优点和有益效果：

由U型硅钢片沿气隙定子侧或转子侧圆弧面，平行粘贴叠装，制造铁心，制造方法简单实用。

相环体盒结构方式，将一系列离散的属于4种相环体之一的铁心与贯穿离散铁心U型槽的对应相绕组安装、固定在两部分环体盒内的凹凸型构造中，结构切实稳固，便于散热；相环体盒的机械强度可根据需要进行设计；功率或控制的定子相环体与转子相环体的电路、磁路系统完全独立，除铁心磁极端部外，完全封闭在高磁阻、高电阻的环体盒内，能有效减少漏磁及谐波干扰。

采用横向磁通和以相分段结构方式，使铁心U型硅钢片平面即磁力线所在平面垂直于电机旋转方向；而相绕组所在平面即电流绕行平面与电机旋转方向平行。电机的电负荷与磁负荷在空间相互垂直，因而磁路铁心尺寸与电路绕组尺寸相互独立，设计自由度大，能有效提高电机的功率和转矩密度。横向磁通和以相分段的结构方式，有利于构造多极对数的磁路、电路系统。横向磁通电机的电磁功率和转矩密度与极对数平方成正比，增加极对数对提高电机的功率和转矩密度效果显著。

横向磁通和以相分段的结构方式，有利于构造多极对数的磁路、电路系统。功率或控制定子或转子相环体的极对数的限制条件主要是电机的直径，只要电机的直径允许，增加相环体的极对数是轻而易举的。这种电磁结构对于需要低转速、大功率、大转矩，直接驱动的应用场合具有显著优点。

横向磁通和以相分段的结构方式同样十分有利于构造新型无刷双馈电机的调速或调频控制系统。功率定子与转子相环体，控制定子与转子相环体分别构成的磁路与电路，各行其道，相互独立，不存在现有BDFM中，功率和控制两套不同极对数的定子绕组与转子短路导条环路组共用同一个磁路，导致定子与转子磁场极对数转换效率不高的问题。

功率与控制相邻且同相的转子相环体的相绕组分别串联成闭合回路。通过双馈变频器的控制软件，在双馈变频器电机侧接口处，改变控制定子相绕组电流的相序，就能实时切换控制定转子磁场的正转或反转。

电机可以运行在亚同步转速区，也可以运行在超同步转速区，控制电机不仅吸收电能，也能通过双馈变频器，向电网馈送电能。断开控制定子绕组与双馈变频器电机侧接口连接，功率定转子可单馈异步运行。

控制定转子的功率小于功率定转子功率的30％，控制定转子所需双馈变频器的功率小于本电机全功率的30％，而且控制定子绕组的电压等级低于功率定子绕组。

散热风叶轮设置在转子相环体间隔处的转轴上，散热效果好。

附图说明

图1实施例1，功率与控制定转子相数相等，为3相，功率定转子的极对数＝3，控制定转子的极对数＝1，功率与控制3相定转子电磁结构示意图。图2实施例1，功率转子相环体。

图3实施例1，功率定子相环体。

图4实施例1，功率定子相环体的组成零部件。

图5实施例1，功率转子相环体的组成零部件。

图6实施例1，控制转子相环体。

图7实施例1，控制定子相环体。

图8实施例1，控制定子相环体的组成零部件。

图9实施例1，控制转子相环体的组成零部件。

图10实施例1，功率和控制定子相环体相位设置，以相分段排列示意图。

图11实施例1，功率和控制转子相环体相位设置，以相分段装配示意图。

图12实施例1，定子与转子装配图的剖面图。

图13实施例2，风力发电机，功率和控制定转子相数相等，为3相，功率和控制定子与转子极对数相等，极对数＝18，功率与控制3相定转子电磁结构示意图。

图14实施例2，风力发电机，功率转子相环体。

图15实施例2，风力发电机，功率定子相环体。

图16实施例2，风力发电机，功率定子相环体的组成零部件。

图17实施例2，风力发电机，功率转子相环体的组成零部件。

图18实施例2，风力发电机，控制转子相环体。

图19实施例2，风力发电机，控制定子相环体。

图20实施例2，风力发电机，控制定子相环体的组成零部件。

图21实施例2，风力发电机，控制转子相环体的组成零部件。

图22实施例2，功率和控制定子相环体相位设置，以相分段排列示意图。

图23实施例2，功率和控制转子相环体相位设置，以相分段装配示意图。

图24实施例2，风力发电机，定子与转子装配图的剖面图。

图25本发明电机内部功率和控制各同相的转子相环体的相绕组分别串联成闭合回路；功率和控制定子相环体的3相绕组接口分别与双馈控制变频器的电网侧和电机侧接口连接电路图。

具体实施方式

下面结合实施例1、实施例2与附图，对本发明作进一步说明。

实施例1，功率与控制定转子相数相等，为3相，功率定转子极对数＝3，控制定转子极对数＝1。图1，显示了实施例1的3相功率和控制定转子电磁空间结构。实施例1具体实施方式可按以下步骤进行：

1.制造零件

1)制作铁心

铁心分4种：功率定子相环体铁心、功率转子相环体铁心、控制定子相环体铁心、控制转子相环体铁心。4种铁心形状类似，制造方法也类似。制作铁心的主要材料是硅钢片和粘结剂。硅钢片的技术参数及品质要求与常规感应电机相同。粘结剂推荐使用无机绝缘粘结剂，应具备高强度和设计要求的高低温特性。铁心是将经过冲裁的硅钢片，在特制的靠准模具中以手工或机械方式制作的。组成一个铁心的U型硅钢片外形一致，U型槽深度依贯穿其中的相绕组的圆环形状，由铁心中部向两端，分2～3个阶段加深；U型硅钢片两个侧边冲裁有2个定位缺口，缺口尺寸根据定位强度要求设计。这2个定位缺口在硅钢片叠装后，在磁极两侧形成2道弧形凹槽，与两部分环体盒内壁对应的两道凸起吻合。将经过冲裁的U型硅钢片的磁极端边，即U型槽口边沿，沿靠模的圆弧面(与电机气隙定子侧或转子侧圆弧面的半径相等)靠准，涂刷绝缘粘结剂粘贴，叠装，经过整形压制，晾干或烘干制成。铁心磁极端面的弧长等于或稍大于相邻两个铁心的间隔弧长，铁心磁极端面的弧长量化为U型硅钢片的片数。制成的铁心要避免再进行钻、铣、切割等金加工。

2)制作相绕组

相绕组分4种：功率定子相绕组、功率转子相绕组、控制定子相绕组、控制转子相绕组。4种相绕组形状类似，制造方法也类似。功率和控制电机的定子或转子相绕组可以有骨架，也可以无骨架。功率定子相环体或控制定子相环体相绕组的内圈，功率转子相环体或控制转子相环体相绕组的外圈设有由无磁钢材料制造的定位环。定子或转子相绕组是在针对特定产品而设计的圆环形绕线机构上绕制的，方法简单。

3)制作前、后环体盒

前、后环体盒分4种：功率定子相环体前、后盒，功率转子相环体前、后盒，控制定子相环体前、后盒，控制转子相环体前、后盒。4种前、后环体盒形状类似，制造方法也类似。对称的前、后环体盒具有优越性，实施例1、实施例2都采用对称的前、后环体盒。两部分对称或不对称的环体盒，由无磁钢材料，采用铸造、金加工等工艺制造。前、后环体盒内设置安装一个圆周阵列属于4种相环体之一的铁心和对应相绕组的组合体的凹凸型构造，以及两部分环体盒拼合连接孔和相绕组出线孔；两部分环体盒的拼合面设有绝缘隔离层，环体盒环形外表面为散热器形状，两部分环体盒采用绝缘螺钉或螺栓拼合固定。两部分环体盒内壁的一系列弧形凸起与对应的一系列铁心两侧的弧形凹槽相吻合。

2.由零件装配相环体

相环体分4种：功率定子相环体、功率转子相环体、控制定子相环体、控制转子相环体。4种相环体类似，安装方法也类似。将一系列呈圆周阵列分布的属于4种相环体之一的铁心的U型槽口朝向气隙圆弧面，与一个贯穿铁心U型槽的对应的相绕组及其定位环一起，安装、固定到一部分环体盒的凹凸型构造中，铁心与相绕组之间必须绝缘，一系列铁心两侧的弧形凹槽与与两部分环体盒内壁对应的一系列凸起吻合。把相绕组的首、尾接线端从两部分环体盒的出线孔中拉出，再盖上另一部分环体盒，将两部分环体盒用绝缘螺钉或螺栓与螺母拼合固定。两部分环体盒拼合时，功率或控制定子相环体的铁心磁极端面露出环体盒内圈，功率或控制转子相环体的铁心磁极端面露出环体盒外圈。

图1-图12是实施例1，图13-图24是实施例2。

图2功率转子相环体102；图3功率定子相环体101。

图4功率定子相环体的组成零部件：功率定子相环体前盒11、铁心与相绕组组合体12、功率定子相环体后盒13；功率定子相环体铁心1、功率定子相环体相绕组及其定位环2、铁心两侧的弧形凹槽3、相绕组出线孔4、前后环体盒连接孔5、环体盒内凹凸型构造6、环体盒内壁凸起7，环体盒拼合面绝缘层8。

图5功率转子相环体的组成零部件：功率转子相环体前盒14、铁心与相绕组组合体15、功率转子相环体后盒16；功率转子相环体铁心1、功率转子相环体相绕组及其定位环2、铁心两侧的弧形凹槽3、相绕组出线孔4、前后环体盒连接孔5、环体盒内凹凸型构造6、环体盒内壁凸起7，环体盒拼合面绝缘层8。

图6控制转子相环体104；图7控制定子相环体103。

图8控制定子相环体的组成零部件：控制定子相环体前盒21、铁心与相绕组组合体22、控制定子相环体后盒23；控制定子相环体铁心1、控制定子相环体相绕组及其定位环2、铁心两侧的弧形凹槽3、相绕组出线孔4、前后环体盒连接孔5、环体盒内凹凸型构造6、环体盒内壁凸起7，环体盒拼合面绝缘层8。

图9控制转子相环体的组成零部件：控制转子相环体前盒24、铁心与相绕组组合体25、控制转子相环体后盒26；控制转子相环体铁心1、控制转子相环体相绕组及其定位环2、铁心两侧的弧形凹槽3、相绕组出线孔4、前后环体盒连接孔5、环体盒内凹凸型构造6、环体盒内壁凸起7，环体盒拼合面绝缘层8。

3.由功率和控制定子与转子相环体安装定子与转子

功率和控制定子相环体与转子相环体隔气隙同轴心环套，以相分段装配。实施例1，功率和控制定子相环体与转子相环体以及散热风叶轮的安装排列次序从左至右设定如下：

B相功率定子与转子相环体，B相控制定子与转子相环体，散热风叶轮1，A相功率定子与转子相环体，A相控制定子与转子相环体，散热风叶轮2，C相功率定子与转子相环体，C相控制定子与转子相环体。

只有将功率或控制定子相环体装配到电机固定外壳中，定子相环体才具有相位属性，也只有将功率或控制转子相环体装配到电机转轴上，转子相环体才具有相位属性。功率和控制定子相环体与转子相环体的相位设置原则是：

当定子相环体装配到固定外壳中，设定功率和控制各相定子相环体的铁心轴向对齐，则功率和控制各相转子相环体装配到转轴上，铁心绕轴心线相互错开的空间角度等于360°除以相数与极对数的乘积。

当转子相环体装配到转轴上，设定功率和控制各相转子相环体的铁心轴向对齐，则功率和控制各相定子相环体装配到固定外壳中，铁心绕轴心线相互错开的空间角度等于360°除以相数与极对数的乘积。

实施例1，功率和控制定转子为3相，功率定转子相环体的极对数＝3，控制定转子相环体的极对数＝1。功率和控制定转子相环体的相位设置如下：

设定控制定子A、B、C 3相环体的铁心轴向对齐，则控制转子A、B、C 3相环体的铁心绕轴心线相互错开空间角度120°。

设定功率定子A、B、C 3相环体的铁心轴向对齐，则功率转子A、B、C 3相环体的铁心绕轴心线相互错开空间角度40°。

图10实施例1，功率和控制定子相环体相位设置，以相分段排列示意图。

图11实施例1，功率和控制转子相环体相位设置，以相分段装配示意图。

按照图25，功率与控制各同相转子相环体的相绕组分别串联成闭合回路。

4.总装

图12实施例1，定子与转子装配图的剖面图。图中标记了中间A相4个相环体：功率定子A相环体101、功率转子A相环体102、控制定子A相环体103、控制转子A相环体104。图中标记了构成各个相环体的两部分环体盒，以及环体盒内安装的铁心1和相绕组2。B相4个相环体、C相4个相环体及其内部结构也在图中显示，与A相类似，省略标记。

5.电机与双馈控制变频器的电路连接

按照图25，电机内部功率和控制各同相的转子相环体的相绕组分别串联成闭合回路；功率和控制定子环体3相绕组接口分别与双馈控制变频器的电网侧和电机侧接口连接。

实施例1通常用作电动机，电机的调速适用上述公式(2)：

$n_r=\frac{60(f_p\±f_c)}{p_p+p_c}$

其中，f_p＝50，p_p＝3，p_c＝1。代入数值，得：

$n_r=\frac{60(f_p\±f_c)}{p_p+p_c}=750\±15f_c$

实际调速范围100～1400/(r/min)。

实施例2，风力发电机，可应用于水平轴或垂直轴风力发电机。实施例2采用水平轴风力机，风力机叶片圆直径为8M，额定转速n_r＝200r/min。发电机额定输出功率设计为100KW，发电机功率和控制定转子相数为3相，功率定转子极对数＝控制定转子极对数＝18。

实施例2的基本实施方式与实施例1类似，实施例2的图13-图24与实施例1的图1-图12类似，不再赘述。

以下主要说明实施例2应用于风力发电机的设计特点：

特点1：容易设计多极对数的电磁系统，实现慢速风力机直接驱动发电机。设定：功率定转子相环体的极对数＝控制定转子相环体的极对数＝18，转子额定机械转速n_r＝200r/min，转速折算成与功率定转子相环体极对数相关的电角度频率，相对于标准工频50Hz，电机转子的额定转速已经运行在超同步转速区，电机功率定子绕组向电网输电，控制定子绕组通过双馈变频器以及变压器，也向电网馈送电能。18极对数的设计，充分满足了风力机对发电机直接驱动要求。

特点2：横向磁通和以相分段的结构方式有效提高电机的功率和转矩密度。横向磁通电机的电磁功率和转矩密度与极对数的平方成正比，增加极对数对提高电机的功率和转矩密度起着关键性作用。18极对数的设计充分满足了发电机功率和转矩密度要求。

特点3：实施例2中，设定：功率定转子相环体极对数＝控制定转子相环体极对数＝18，实现了功率定子绕组的输出电压频率等于控制定子绕组电压的设定频率，即f_p＝f_c。双馈变频器的控制软件将控制定子电压频率恒定在一个标准频率如：f_c＝50Hz。这一设计，改变了通常以控制定子绕组的电压频率作为主要控制参数的软件模式，双馈控制变频器只需自动调整控制定子绕组电压的相位和幅度。发电机功率定子绕组输出电压的相位和幅度参数受风速即转速的影响相对比较缓慢，控制方法也比较简单。这将大大简化双馈变频器的控制软件设计，减少数据处理工作量，降低了系统软件成本。相关原理进一步说明如下：

风力发电机功率定子绕组输出电压的调频适用上述公式(3)：

$f_p=\frac{n_r{p}_p}{60}+(f_c-\frac{n_r{p}_c}{60})$

代入p_p＝p_c＝18，计算可得：

f_p＝f_c

上述公式表明，当p_p＝p_c＝18时，f_p＝f_c。

无论转速n_r随风速如何变动，只要在安全范围内，双馈控制变频器通过其电机侧接口，都始终将控制定子绕组的电压频率恒定在一个标准频率，f_c＝50Hz。同时，控制程序只自动调整控制电机定子绕组电压的相位和幅度。

控制与功率同轴的转子转速随风速变动，由于交流异步电机的特性，在控制转子绕组中产生转差频率的感应电流，感应电流频率为：

$f_{rc}=(f_c-\frac{n_r{p}_c}{60})$

功率与控制3对同相的转子绕组分别串联成闭合回路，功率与控制的转子相绕组电流相等，频率也相等，由于，p_p＝p_c＝18，转速n_r分别折算成与功率或控制定转子极对数相关的电角度频率，

控制定转子充当了一个自动变频器，该变频器的定子绕组同步电压频率f_c恒定不变，而控制转子绕组电流频率是恒定的控制定子绕组电压频率f_c相对于变动转速的转差频率，这个电流频率自动跟随转速n_r的变动而变频。功率转子绕组励磁电流等于控制转子绕组电流，频率也相等，使得发电机功率定子绕组的同步电压频率f_p＝f_c＝50Hz，保持恒定。

以上虽然结合两个实施例与附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims (6)

1.一种横向磁通相段式无刷双馈感应电机，包括功率和控制各相定子相环体与转子相环体，其特征在于，

功率定子相环体(101)、功率转子相环体(102)、控制定子相环体(103)、控制转子相环体(104)是在用无磁钢材料制造的两部分环体盒内，安装一个圆周阵列属于4种相环体之一的铁心(1)，铁心的U型槽口朝向气隙圆弧面，U型槽中贯穿一个属于4种相环体之一的相绕组及其定位环(2)；功率定子相环体(101)或控制定子相环体(103)的铁心(1)的磁极端面露出环体盒内圈，功率转子相环体(102)或控制转子相环体(104)的铁心(1)的磁极端面露出环体盒外圈；各相功率定子相环体(101)与功率转子相环体(102)，各相控制定子相环体(103)与控制转子相环体(104)隔气隙同轴心环套，以相分段装配；各同相的功率转子相环体(102)与控制转子相环体(104)的相绕组(2)分别串联成闭合回路。

2.根据权利要求1所述的横向磁通相段式无刷双馈感应电机，其特征在于，

在两部分对称或不对称的功率定子相环体(101)的前盒(11)和后盒(13)，功率转子相环体(102)的前盒(14)和后盒(16)，控制定子相环体(103)的前盒(21)和后盒(23)，控制转子相环体(104)的前盒(24)和后盒(26)之内，设置安装一个圆周阵列属于4种相环体之一的铁心(1)和对应相绕组及其定位环(2)的组合体的凹凸型构造(6)，以及两部分环体盒拼合连接孔(5)和相绕组出线孔(4)；两部分环体盒的拼合面设有绝缘隔离层(8)，环体盒环形外表面为散热器形状，两部分环体盒采用绝缘螺钉或螺栓拼合固定。

3.根据权利要求1所述的横向磁通相段式无刷双馈感应电机，其特征在于，

属于4种相环体之一的铁心(1)由U型硅钢片槽口边，沿气隙定子侧或转子侧圆弧面平行粘贴叠装制成，U型硅钢片平面垂直于电机旋转方向；组成一个铁心的U型硅钢片外形一致，U型槽深度依贯穿其中的对应相绕组及其定位环(2)的圆环形状，由铁心中部向两端，分2～3个阶段加深；U型硅钢片两侧边设有2个定位缺口，叠装后在铁心两侧形成2道弧形凹槽(3)，与两部分环体盒内壁对应的两道凸起(7)吻合；铁心(1)的U型槽口朝向气隙圆弧面，沿气隙定子侧或转子侧呈圆周阵列分布，铁心磁极端面的弧长等于或稍大于相邻两个铁心的间隔。

4.根据权利要求1所述的横向磁通相段式无刷双馈感应电机，其特征在于，

功率定子相环体(101)或控制定子相环体(103)的相绕组的内圈，功率转子相环体(102)或控制转子相环体(104)的相绕组的外圈设有由无磁钢材料制造的定位环。

5.根据权利要求1所述的横向磁通相段式无刷双馈感应电机，其特征在于，

功率或控制定转子相数相等；当设定功率和控制定子或者转子各相环体的铁心(1)轴向对齐，则功率和控制转子或者定子各相环体的铁心(1)绕轴心线相互错开的空间角度等于360°除以相数与极对数的乘积。

6.根据权利要求1所述的横向磁通相段式无刷双馈感应电机，其特征在于，

在功率和控制转子相环体间隔处的转轴上设置散热风叶轮。