CN110311486A - 一种无刷双馈电机双笼转子及导条连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷双馈电机双笼转子及导条连接方法，该双笼转子包括内笼转子和外笼转子，内笼转子和外笼转子之间仅通过电路连接，空间磁路上采用隔磁环进行隔绝，保证内层控制子系统和外层功率子系统之间的磁场不会直接耦合。内笼转子和外笼转子的导条在一端用两个端环分别短接，在另一端进行交错连接。内笼转子和外笼转子在电路上的电流幅值与电流频率相等的同时，内笼转子和外笼转子反相序连接。当内层转子感应出电流流向外层转子时，能够实现内外层转子的磁场反向，保持无刷双馈电机的双馈运行模式。

Description

一种无刷双馈电机双笼转子及导条连接方法

技术领域

本发明涉及一种无刷双馈电机，尤其涉及一种无刷双馈电机双笼转子及导条连接方法。

背景技术

随着社会经济的发展和生产方式的变革，人类对能源的需求也在不断的增长。在全球新能源政策的驱使下，能源结构正在向清洁低碳的方向转变，可再生能源将成为能源结构中增长速度最快的部分。风能以其成本低、分布广、储量大以及清洁环保等明显优势，使得风力发电受到广泛的关注和研究。

无刷双馈电机是一种无需电刷和滑环即可实现变速恒频运行的电机，有望取代传统的有刷双馈电机，成为风力发电系统新的技术路线。无刷双馈电机已经发展出许多可行的结构，主要分为：级联式无数双馈电机、无刷双馈感应电机(包含嵌套环转子和绕线转子)、无刷双馈磁阻电机和双定子无刷双馈感应电机。按不同的去刷方式和运行原理，可将无刷双馈电机划分为两类，调制式(无数双馈感应电机和无刷双馈磁阻电机)和级联式(级联式无刷双馈电机和双定子无刷双馈感应电机)。调制式无刷双馈电机的转子通过特殊设计，能够实现功率绕组和控制绕组的磁场转换。但是，功率子系统和控制子系统工作在同一气隙下，会不可避免的产生多种无用的谐波磁场分量，造成转矩脉动、噪声、振动以及增加控制难度。传统级联式无刷双馈电机的控制磁场和功率磁场在气隙中解耦，控制简单。然而，由于控制子系统和功率子系统轴向连接，导致空间利用率以及电机功率密度较低。为了实现更高的功率密度和更紧凑的电机结构，双定子无刷双馈感应电机将控制子系统和功率子系统沿径向排布，控制转子和功率转子之间由隔磁环支撑，避免了磁路耦合的同时，拥有高效的空间利用率。

现存的双定子无刷双馈绕线转子感应电机存在转子电阻大、损耗高、效率较低的问题。此外，径向分布的控制绕组和功率绕组占据较大的端部空间，导致定转子绕组间的气隙过小。当电机以较高的速度运行时，定子绕组和转子绕组可能会发生摩擦，造成电机短路和机械运行故障。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种无刷双馈电机双笼转子及导条连接方法，使交错双笼转子无刷双馈电机在双馈模式下工作，实现内笼转子和外笼转子之间的磁场反向。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种无刷双馈电机双笼转子，包括控制内笼转子和功率外笼转子，两者之间设置隔磁环；控制内笼转子包括内转子铁心，功率外笼转子包括外转子铁心，内转子铁心和外转子铁心上分别设置若干槽，槽内均设有导条；内笼转子导条和外笼转子导条的一端分别用端环短接，在另一端进行交错连接。

一种无刷双馈电机，包括外定子、双笼转子和内定子，其中，外定子包括外定子铁心，其上设有功率绕组；内定子包括内定子铁心，其上设有控制绕组；其中，双笼转子包括控制内笼转子和功率外笼转子，两者之间设置隔磁环；控制内笼转子包括内转子铁心，功率外笼转子包括外转子铁心，内转子铁心和外转子铁心上分别设置若干槽，槽内均设有导条；内笼转子导条和外笼转子导条的一端分别用端环短接，在另一端进行交错连接。

一种无刷双馈电机双笼转子导条连接方法，包括步骤：

(1)计算双笼转子的槽距角，控制内笼转子β_p和功率外笼转子α_c的槽距角相等，即：

其中，p_p和p_c分别表示功率绕组和控制绕组的极对数，Z_p和Z_c分别表示功率转子和控制转子的槽数；

(2)将内笼转子导条和外笼转子导条反相序连接，相邻导条的连接满足条件：

其中，β为内笼相邻导条间电流所差的时间相位电角度，α为外笼相邻导条空间排布所差的空间相位电角度。

进一步地，当功率绕组与控制绕组极对数相等，功率转子和控制转子槽数相等时，将转子槽数划分为p_p＝p_c组，将内笼转子导条和外笼转子导条按内笼转子时间相位与外笼转子空间相位反相序的方式连接。

进一步地，当功率绕组和控制绕组极对数是k倍关系，功率转子和控制转子槽数也是k倍关系时，包括两种连接方式：(1)槽数较小一侧转子的每个槽中并联放置k根导条，k根导条分别与另一侧转子的k个槽的k根导条相连；(2)槽数较小一侧转子的每个槽中只放置一根导条，一根导条与另一侧转子的k个槽的k根导条相连。

进一步地，当功率绕组与控制绕组极对数相等，功率转子和控制转子槽数是k倍关系时，采用虚拟极法，将功率绕组和控制绕组极对数转化为也是k倍关系；或采用虚拟槽法，将功率转子和控制转子槽数转化成相等关系。

进一步地，当功率绕组和控制绕组极对数是k倍关系，功率转子和控制转子槽数相等时，采用虚拟极法，将功率绕组和控制绕组极对数转化成相等关系；或采用虚拟槽法，将功率转子和控制转子槽数转化为也是k倍关系。

有益效果：本发明的无刷双馈电机双笼转子及导条连接方法，将笼型转子结构引入双定子无刷双馈感应电机中，不仅可以带来简单可靠的转子结构、更小的转子电阻和更高的运行效率，而且兼具笼型异步电机与双定子无刷双馈电机的优点。

附图说明

图1是无刷双馈电机及其双笼转子示意图；

图2是无刷双馈电机及其双笼转子立体结构示意图；

图3是p_p＝p_c及Z_p＝Z_c条件下双笼转子连接电路示意图；

图4是p_p＝kp_c及Z_p＝kZ_c条件下双笼转子槽连接示意图；

图5是p_p＝kp_c及Z_p＝kZ_c条件下双笼转子连接电路示意图；

图6是p_p＝p_c及Z_p＝kZ_c条件下采用虚拟极和虚拟槽法的双笼转子槽连接示意图；

图7是p_p＝p_c及Z_p＝kZ_c条件下采用虚拟槽法的双笼转子槽连接示意图；

图8是p_p＝kp_c及Z_p＝Z_c条件下采用虚拟极和虚拟槽法的双笼转子槽连接示意图；

图9是转子槽为奇数或p_p＝p_c且转子不分组条件下双笼转子连接电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明所述的无刷双馈电机，从里到外依次包括电机外定子铁心1、功率绕组2、功率外笼转子3、外转子铁心4、控制内笼转子5、隔磁环6、内转子铁心7、控制绕组8、内定子铁心9。

该无刷双馈电机双笼转子是基于内笼转子和外笼转子构建而成，内笼转子和外笼转子之间仅通过电路连接，空间磁路上采用隔磁环进行隔绝，保证内层控制子系统和外层功率子系统之间的磁场不会直接耦合。内笼转子和外笼转子在电路上的电流幅值与电流频率相等的同时，要满足无刷双馈电机双馈运行条件，就必须实现内外转子磁场的反向，即内笼转子和外笼转子反相序连接。因此，内笼转子和外笼转子的导条在一端用两个端环分别短接，而在另一端进行交错连接。当内层转子感应出电流流向外层转子时，能够实现内外层转子的磁场反向，保持无刷双馈电机的双馈运行模式。

内笼转子和外笼转子在电路上反相序连接，形成反向旋转磁场的条件为：

其中，β为相邻导条间电流所差的时间相位电角度，α为相邻导条空间排布所差的空间相位电角度。

时间相位角β和空间相位角α为：

其中，p为电机极对数，Z为转子槽数。

要使内笼控制转子和外笼控制转子满足公式1，则控制转子和功率转子的槽距角相等，即：

其中，p_p和p_c分别表示功率绕组和控制绕组的极对数，Z_p和Z_c分别表示功率转子和控制转子的槽数。

导条连接包含以下四种情况：

p_p＝p_c

Z_p＝Z_c (4)

p_p＝kp_c

Z_p＝kZ_c (5)

p_p＝p_c

Z_p＝kZ_c (6)

p_p＝kp_c

Z_p＝Z_c (7)

其中，k在p_p大于p_c时为不等于1的正整数(2,3,4…)和假分数(3/2,5/4…)，在p_p小于p_c时为真分数(1/2,1/3,1/4,2/3…)。

公式4中，当功率绕组与控制绕组极对数相等，功率转子和控制转子槽数相等时，只需要根据槽距角，将转子槽数划分为p_p＝p_c组，再使两个转子导条之间按照公式1的方式连接即可。此外，存在不同组间导体相互满足公式1的情况，分组的意义在于规范连接方式，避免不同组间交叉产生的大量无意义连接。

公式5中，当功率绕组和控制绕组极对数是k倍关系，功率转子和控制转子槽数也是k倍关系时，由于槽数不相等，所以不能直接将功率转子和控制转子的槽单独相连。可以通过以下两种方式来处理：第一种方式是将槽数较小一侧转子的每个槽中并联安排k根导条，k根导条可以与另一转子的k个槽相连，也就是少槽一侧的一个槽连接多槽一侧的k个槽；第二种方式与第一种类似，也是少槽一侧的一个槽连接多槽一侧的k个槽，区别在于每个槽中都只放一根导条，也就是少槽中的一根导条与多槽中的k根导条相连。

公式6中，当功率绕组与控制绕组极对数相等，功率转子和控制转子槽数是k倍关系时，由于两个转子的槽距角不相等，所以各槽之间无法满足公式1，不能相连。为了解决这个问题，提出了以下两种方法来解决：虚拟极法和虚拟槽法。虚拟极法是保持槽数不变，将功率极数和控制极数在电路上按照p_p＝kp_c的关系相连，使得槽距角相等，从而转化为公式5所述情形。虚拟槽法是保持极对数不变，将功率转子中的k个槽合并为一个槽，拥有相同的槽距角，这样使得功率转子的槽数与控制转子相等；或者将控制转子一个槽中的导体视为k根并联的，分别占据k个不同的槽距角，这样也可以使功率转子和控制转子获得相同的槽距角，从而实现相同的槽数。

公式7中，当功率绕组和控制绕组极对数是k倍关系，功率转子和控制转子槽数相等时，由于各自的槽距角不同，所以不能直接相连。此时，同样可以采用虚拟槽和虚拟极的方法来解决这个问题，即：保持极对数不变，将功率转子中的k个槽合并为一个槽；将控制转子一个槽中的导体视为k根并联的，分别占据k个不同的槽距角。

当转子槽数为奇数时，由于不能将转子槽分组(会产生分数)，所以只有p_p＝p_c＝1时才能划分槽距角，并且控制和功率的定子极对数以及转子槽数要相等时才能相互连接。当p_p＝p_c且转子不分组时，在电路上将极对数等效为p_p＝p_c＝1进行连接，可以实现控制转子和功率转子磁场反向。

下面以这种电机结构为例说明双笼转子导条的连接方式。

(1)p_p＝p_c及Z_p＝Z_c：功率绕组2与控制绕组8极数相等，功率外笼转子3和控制内笼转子5槽数相等。表1给出了极对数为2，槽数为18的交错双笼转子导条之间的连接方式。由于内笼转子和外笼转子的极对数和槽数完全相同，所以可以划分为I和II两组导条，每组18根，两组之间的连接方式完全相同。图3所示为功率外笼转子和控制内笼转子之间的电路连接。其中，I_n为内笼导条，Q_n为外笼导条，R_i为内笼端环电阻，R_o为外笼端环电阻，R_c为导条连接电阻。由图可知，交错双笼转子根据分两组，每组按内笼转子时间相位与外笼转子空间相位反相序的方式连接。

表1

(2)p_p＝kp_c及Z_p＝kZ_c：功率绕组2和控制绕组8极对数是k倍关系，且转子槽数也是k倍关系。图4(a)表示功率绕组2和控制绕组8极对数分别为4和2，功率外笼转子3和控制内笼转子5槽数分别为14和7的情况下(k为正整数)，交错双笼转子之间的连接方式，图中数字表示槽号。由于极槽配合满足公式5，所以控制内笼转子5和功率外笼转子3的槽距角相等都为102.86°。此外，两槽间的连接要遵循公式1，且控制内笼转子5的槽需要引出两根导条分别连接功率外笼转子3的两个槽。图4(b)表示功率绕组2和控制绕组8极对数分别为3和2，功率外笼转子3和控制内笼转子5槽数分别为12和8的情况下(k为真分数)，交错双笼转子之间的连接方式。由于功率外笼转子3槽数与控制内笼转子5槽数不是整数倍关系，所以每个槽的导条大小不能一样。从图中可以看出，控制内笼转子5的8个槽中全并有两根导条，其中一根截面积为1，另一根为0.5。而在功率外笼转子3侧的1-4号槽中，各自连接相应控制内笼转子1-4号中截面积为1的导条；功率外笼转子9-12号槽各自连接控制内笼转子5-8号槽中截面积为1的导条；功率外笼转子5-8号槽中的导条由两部分组成，一部分来控制内笼转子1-4号中截面积为0.5的导条，另一部分来自控制内笼转子5-8号槽中截面积为0.5的导条，同一槽中的两导条相并联，这样就起到了截面积等于1的效果，与功率外笼转子其他槽相平衡。图5所示为功率绕组2和控制绕组8极对数分别为4和2，以及功率外笼转子3和控制内笼转子5槽数分别为36和18情况下的转子连接电路。

(3)p_p＝p_c及Z_p＝kZ_c：控制绕组8和功率绕组2极对数相等，且各自的转子槽数不相等。以功率绕组2和控制绕组8都为4对极，控制内笼转子5为6槽，功率外笼转子3为12槽为例。图6(a)所示采用虚拟极的方法，将控制内笼转子5在电路连接上视为2对极，所求得的槽距角为120°，而功率绕组2极数在电路上为控制内笼转子5的两倍，功率外笼转子3槽数也为控制内笼转子5的两倍，所以功率外笼转子3的槽距角和控制内笼转子5相同也为120°。图6(b)所示为采用虚拟槽的方法，将控制内笼转子5的每个实体槽视为两根导条占据的两个虚拟槽，同时占据了两个槽距角，如此控制绕组8虚拟槽便转化为12。图7所示采用虚拟槽的方法，将功率外笼转子3的两个相邻实体槽合并为一个虚拟槽，共同占据一个槽距角，按此法就能把原功率外笼转子3的槽距角扩大一倍，实现与控制内笼转子5的槽距角相等。由于两个实体槽拥有相同的电角度，所以它们共同连接在同一个控制内笼转子5的槽上。

(4)p_p＝kp_c及Z_p＝Z_c：控制绕组8和功率绕组2极对数不等，而转子槽数相等的情况。以功率绕组2和控制绕组8分别为4对极和2对极，控制内笼转子5和功率外笼转子3都为12槽为例。图8(a)所示采用虚拟极的方法，将控制内笼转子5在电路连接上视为4对极，所求得的槽距角为120°，而功率绕组2极数在电路上与控制内笼转子5视为相等，功率外笼转子3槽数与控制内笼转子5相等，所以功率外笼转子3和控制内笼转子5槽距角相同为120°。图8(b)所示为采用虚拟槽的方法，将控制内笼转子5的每两个实体槽视为一个虚拟槽，同时占据了一个槽距角，如此控制绕组虚拟槽便转化为6。此时，控制内笼转子5和功率外笼转子3槽距角都为120°，可以互相连接。

当转子槽数为奇数时，由于会产生分数不能将转子槽分组，所以极对数只有为1时才能划分槽距角，并且控制和功率的定子极对数以及转子槽数要相等时才能相互连接。以控制内笼转子5和功率外笼转子3都为17槽，极对数都为4作例，其电路连接如图9所示。当p_p＝p_c且转子不分组，控制内笼转子5和功率外笼转子3极对数相等，且电路上不分组时，都可以按1对极的电路连接。以控制内笼转子5和功率外笼转子3都为17槽，极对数都为4作例，其电路连接如图9所示。

本发明无刷双馈电机的双笼转子导条连接方法，实现了内笼转子和外笼转子之间的磁场反向，可使交错双笼转子无刷双馈电机在双馈模式下工作。该电机将笼型转子结构引入双定子无刷双馈感应电机中，不仅可以带来简单可靠的转子结构、更小的转子电阻和更高的运行效率，而且兼具笼型异步电机与双定子无刷双馈电机的优点。双笼转子导条连接方法的数学表达清晰简洁、物理意义明显，能够清楚有效定性描述旋转磁场规律，反映电机运行特性，为双笼转子无刷双馈电机的设计提供指导作用。

Claims (7)

1.一种无刷双馈电机双笼转子，其特征在于，包括控制内笼转子(5)和功率外笼转子(3)，两者之间设置隔磁环(6)；控制内笼转子(5)包括内转子铁心(7)，功率外笼转子(3)包括外转子铁心(4)，内转子铁心(7)和外转子铁心(4)上分别设置若干槽，槽内均设有导条；内笼转子导条和外笼转子导条的一端分别用端环短接，在另一端进行交错连接。

2.一种无刷双馈电机，其特征在于，包括外定子、双笼转子和内定子，其中，外定子包括外定子铁心(1)，其上设有功率绕组(2)；内定子包括内定子铁心(9)，其上设有控制绕组(8)；

其中，双笼转子包括控制内笼转子(5)和功率外笼转子(3)，两者之间设置隔磁环(6)；控制内笼转子(5)包括内转子铁心(7)，功率外笼转子(3)包括外转子铁心(4)，内转子铁心(7)和外转子铁心(4)上分别设置若干槽，槽内均设有导条；内笼转子导条和外笼转子导条的一端分别用端环短接，在另一端进行交错连接。

3.一种无刷双馈电机双笼转子导条连接方法，其特征在于，包括步骤：

(1)计算双笼转子的槽距角，控制内笼转子β_p和功率外笼转子α_c的槽距角相等，即：

其中，p_p和p_c分别表示功率绕组和控制绕组的极对数，Z_p和Z_c分别表示功率转子和控制转子的槽数；

(2)将内笼转子导条和外笼转子导条反相序连接，内外笼导条的连接满足条件：

其中，β为内笼相邻导条间电流所差的时间相位电角度，α为外笼相邻导条空间排布所差的空间相位电角度。

4.根据权利要求3所述的无刷双馈电机双笼转子导条连接方法，其特征在于，当功率绕组与控制绕组极对数相等，功率转子和控制转子槽数相等时，将转子槽数划分为p_p＝p_c组，将内笼转子导条和外笼转子导条按内笼转子时间相位与外笼转子空间相位反相序的方式连接。

5.根据权利要求3所述的无刷双馈电机双笼转子导条连接方法，其特征在于，当功率绕组和控制绕组极对数是k倍关系，功率转子和控制转子槽数也是k倍关系时，包括两种连接方式：(1)槽数较小一侧转子的每个槽中并联放置k根导条，k根导条分别与另一侧转子的k个槽的k根导条相连；(2)槽数较小一侧转子的每个槽中只放置一根导条，一根导条与另一侧转子的k个槽的k根导条相连。

6.根据权利要求3所述的无刷双馈电机双笼转子导条连接方法，其特征在于，当功率绕组与控制绕组极对数相等，功率转子和控制转子槽数是k倍关系时，采用虚拟极法，将功率绕组和控制绕组极对数转化为也是k倍关系；或采用虚拟槽法，将功率转子和控制转子槽数转化成相等关系。

7.根据权利要求3所述的无刷双馈电机双笼转子导条连接方法，其特征在于，当功率绕组和控制绕组极对数是k倍关系，功率转子和控制转子槽数相等时，采用虚拟极法，将功率绕组和控制绕组极对数转化成相等关系；或采用虚拟槽法，将功率转子和控制转子槽数转化为也是k倍关系。