CN111245172A - 一种无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化方法,所述双笼转子包括控制内笼转子和功率外笼转子,功率外笼转子位于控制内笼转子的外部,二者之间设置有隔磁环;功率外笼转子上设有外转子铁心,控制内笼转子上设有内转子铁心,外转子铁心、内转子铁心上分别设置有若干槽,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;所述拓扑优化方法包括导条连接长度优化、导条交叉层数的计算、导条局部解耦和导条对称性排布。此种拓扑优化方法可提升交错双笼转子无刷双馈电机性能,减小加工制造难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化方法。
背景技术
大力发展可再生能源已成为人类社会经济发展的必由之路。在各种可再生能源利用技术中,风力发电以其资源分布广、储量大、技术相对成熟而得到快速发展。自2012年以来,我国的风电累计装机容量跃居世界第一,成为自火电和水电之后的第三大发电方式。
但随着风电开发速度的不断加快,陆上风力资源开采正逐渐饱和,海上风电成为主要发展方向。然而,海上的特殊环境,使风电机组的运输、安装、维护均十分困难,制造和维护成本均大幅提高,而流固耦合以及盐雾等因素又导致海上风电机组的故障率高、寿命短。为了降低单位成本,单机容量不断增大,目前试运行的最大风电机组容量已达10MW,仅永磁发电机重量达230吨,给塔架带来严峻挑战。因此,研究开发轻量化、高可靠、免(少)维护的风电机组已成为海上风电发展的迫切需求。
无刷双馈电机(BDFIM)是一种无需电刷和滑环即可实现变速恒频运行的发电机,有望取代传统的有刷双馈电机,成为新的技术发展路线。尽管无刷双馈电机经多年研究,取得了显著进步,但至今未能实现商业应用。其原因主要是:(1)与有刷双馈电机相比,无刷双馈电机的功率密度仍有一定差距;(2)因无刷双馈电机的电磁耦合关系复杂,精确建模和控制难度大;(3)传统无刷双馈电机的两套绕组都放置在同一个定子上,直接磁场耦合很难完全避免,导致电压谐波较大,不仅影响电能质量,而且产生额外损耗,降低系统效率。
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应运而生。这种电机将容量较大的功率绕组放置在外定子,容量较小的控制绕组放置在内定子,在转子内、外层各放置一套三相分布绕组(即所谓的绕线转子),在转子一端反相序连接,这样既提高了空间利用率,又避免了功率绕组与控制绕组磁路直接耦合。然而,研究发现,绕线转子设计存在转子电阻大、损耗高、效率较低的问题。特别是内外层气隙仅为1mm左右,而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、转子绕组端部的气隙过小。当电机高速运行时,定子与转子绕组端部易发生摩擦,造成绕组短路和机械运行故障。
发明内容
本发明的目的,在于提供一种无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化方法,其可提升交错双笼转子无刷双馈电机性能,减小加工制造难度。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
一种无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化结构,所述双笼转子包括控制内笼转子和功率外笼转子,功率外笼转子位于控制内笼转子的外部,二者之间设置有隔磁环;功率外笼转子上设有外转子铁心,控制内笼转子上设有内转子铁心,外转子铁心、内转子铁心上分别设置有若干槽,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;所述拓扑优化方法包括导条连接长度优化、导条交叉层数的计算、导条局部解耦和导条对称性排布。
上述导条连接长度优化的具体内容是,若导条电阻保持相同,则实际连接长度由拓扑中最长的那根导条决定。
上述导条交叉层数S的计算公式是:
其中,Z为转子槽数,GCD(Pp,Pc)表示功率极对数Pp和控制极对数Pc的最大公约数,外括号表示向上取整。
上述导条局部解耦的具体内容是,当某个拓扑中最长的导条在所有拓扑中有着最小长度时,该拓扑为最大解耦情况。
上述导条排布对称性包含空间排布对称性,具体内容是,将导条对称排布,双笼转子形成的空间对称区域个数表示为:
其中,GCD(Pp,Pc)表示功率极对数Pp和控制极对数Pc的最大公约数。
上述导条排布对称性包含导条长度对称性,用节距评估端部导条长度,计算步骤是:
a,计算每根导条的节距;
b,将所有导条节距相加求和,再除以转子槽数,得到每层的平均节距长度;
c,实际导条排布时,使每层节距之和尽量与平均节距相同。
采用上述方案后,本发明综合考虑了不同极槽配合下的不同拓扑结构、端部堆叠层数、导条排布对称性对电机的电磁性能、机械运行情况(偏心)和加工难度产生的影响,旨在提升电机性能,减小加工制造难度。
本发明无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化方法,可提升交错双笼转子无刷双馈电机在双馈模式下的电机性能,简化加工制造工艺。双笼转子拓扑结构的优化方法数学表达清晰简洁、物理意义明显,反映电机运行特性,能够清楚有效的简化双笼转子结构,为双笼转子无刷双馈电机的设计提供指导作用。
附图说明
图1是无刷双馈电机及其双笼转子结构示意图;
图2是无刷双馈电机双笼转子立体结构示意图;
图3是双笼转子导条简化连接示意图;
图4是导条长度优化下的端部拓扑结构示意图;
图5是导条交叉层数及空间排布对称性示意图;
图6是局部解耦下的端部拓扑结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图,对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1和图2所示,是本发明研究的无刷双馈电机双笼转子,包括控制内笼转子5和功率外笼转子3,功率外笼转子3位于控制内笼转子5的外部,二者之间设置有隔磁环6;功率外笼转子3上设有外转子铁心4,控制内笼转子5上设有内转子铁心7,外转子铁心4、内转子铁心7上分别设置有若干槽,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,如图3所示。所述导条的具体连接关系可参考中国专利申请号201910584625.X,在此不再赘述。
上述双笼转子可应用于无刷双馈电机中,所述无刷双馈电机包括由外而内的外定子、双笼转子、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。
该无刷双馈电机双笼转子是基于控制内笼转子5和功率外笼转子3构建而成,控制内笼转子5和功率外笼转子3之间仅通过电路连接,空间磁路上采用隔磁环6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。
以上所述的交错双笼无刷双馈电机,在保留原有双定子感应电机优点的同时,减小电机转子铜耗,提升电机效率,以及解决电机运行可靠性问题。但是双笼转子端部的连接方式决定了该电机的端部拓扑较为复杂,需要进行特殊优化。基于此,本发明还提供一种双笼转子的拓扑优化方法,包括导条连接长度优化、导条交叉层数的计算、导条局部解耦和导条对称性排布,下面以这种电机结构为例说明双笼转子导条的拓扑结构优化。
(1)导条连接长度优化:
在双笼转子电路连接保持不变,转子槽数在已经标定的情况下,保持少槽转子固定不动,对多槽转子进行旋转,就会改变两个转子的相对位置,进而改变转子连接拓扑,导条的连接长度也会跟着改变。若导条电阻保持相同,则实际连接长度是由拓扑中最长的那根导条决定的。
图4所示内笼转子5和外笼转子3都为2对极,转子槽数都为8槽的双笼转子所形成的不同拓扑结构(通过旋转内笼转子槽距角)。从图中可以看出,拓扑是存在重复的,例如拓扑2和拓扑8的结构就完全相同。但是不同的拓扑间,转子导条的连接长度是不一样的。若是某个拓扑中的所有导条电阻全部相等,那么导条长度也要一样长,则实际练连接的长度是拓扑中最长的那根导条决定的。以拓扑6为例,该拓扑中最长导条的是1-1,若要保持电阻相等,其他的导条连线也要与1-1相等,所以选择拓扑的标准则是拓扑中最长的导体是所有拓扑(指最长导条)中的最小值。以本实施例说明,拓扑1中最长的导条为2-4,节距为2,其他拓扑的最长导条都要大于2,所以最优的结构是拓扑1。
(2)导条交叉层数计算:
由于端部导条之间相互交叉,不能在同一平面连接,所以必然会从端部层叠。端部层叠的层数会直接影响端部的连接长度以及轴向长度。交叉层数越少,电机拓扑越简单,加工越容易。端部导条的交叉层数可以总结为:
其中,Z为转子槽数,GCD(Pp,Pc)表示功率极对数Pp和控制极对数Pc的最大公约数,外括号表示向上取整。
图5所示为内笼转子5为1对极,外笼转子3为2对极,槽数都为40的双笼转子连接示意图。根据极槽配比的研究,导条端部的交叉层数的计算公式为:
将电机参数代入上式,计算出交叉层数为14层。交叉层数越多,双笼转子端部越复杂,端部越长,加工难度越大。但是槽数增加会对电机性能有增益效果,所以需要平衡电机性能与交叉层数之间(加工制造)之间的关系。
(3)导条局部解耦:
局部解耦的含义是相同的连接方式所产生的不同拓扑,它们有着不同的交叉层数。即使双笼转子的导条连接顺序相同,也会产生不同拓扑结构,不同的拓扑之间有着不同的交叉层数。旋转端部一定角度可以使交叉的导条局部解耦,形成比第(2)点计算结果更少的交叉层数。当某个拓扑中最长的导条在所有拓扑(指最长导条)中有着最小长度时,该拓扑为最大解耦情况。
图6所示为内笼转子5和外笼转子3都为2对极,槽数都是10,所产生的不同拓扑结构。由拓扑6和拓扑2可以看出,拓扑6有两个对称区域,每层只能排布两根导条,所以10槽需要轴向叠加五层才能将转子导条放下,而拓扑2有4个对称区域,意味着一层可以放下4根导条,只需要3层就可以排完。所以不同的拓扑确实可以实现交叉线的局部解耦。但是局部解耦一般只发生在槽数较少时,当槽数较多时,基本就是一种连接方式。
(4)导条排布对称性:
主要体现在:
(41)空间排布对称性
导条空间排布如果不对称,在电机运行时容易偏心,产生机械故障,所以导条对称排布是非常有必要的。双笼转子形成的空间对称区域个数可以表示为:
图5所示的内笼转子5为1对极,外笼转子3为2对极,槽数都为40的双笼转子所形成的对称区域为3个,代表每层可以排布3根导条,40槽电机需要14层能排完所有导条。对称区域个数的计算公式为:
(42)导条长度对称性
端部导条长度可以用节距来评估,其计算步骤如下:1)计算每根导条的节距;2)将所有导条节距相加求和,再除以转子槽数,得到每层的平均节距长度;3)实际导条排布时,使每层节距之和尽量与平均节距相同。
表1列出了内笼转子5为1对极,外笼转子3为2对极,转子槽数都为14槽的双笼转子槽号连接顺序及连接导条的长度(节距)。从表中的数据可以计算出总节距为49,交叉层数为5,平均节距为9.8。根据每层节距之和尽量等于平均节距的原则,将导条分层如下(以内笼转子槽号表示):
1)4-5-6,节距之和11.5;
2)9-12-13,节距之和10.5;
3)1-2-8,节距之和9.5;
4)10-11-3,节距之和9.5;
5)7-14,节距之和8。
1)层到5)层是沿轴向由内而外排开,内层的节距比外层要长些,因为外层导条还要叠加轴向长度。
表1
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化方法,所述双笼转子包括控制内笼转子和功率外笼转子,功率外笼转子位于控制内笼转子的外部,二者之间设置有隔磁环;功率外笼转子上设有外转子铁心,控制内笼转子上设有内转子铁心,外转子铁心、内转子铁心上分别设置有若干槽,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;其特征在于:拓扑优化方法包括导条连接长度优化、导条交叉层数的计算、导条局部解耦和导条对称性排布。
2.如权利要求1所述的拓扑优化方法,其特征在于:所述导条连接长度优化的具体内容是,若导条电阻保持相同,则实际连接长度由拓扑中最长的那根导条决定。
4.如权利要求1所述的拓扑优化方法,其特征在于:所述导条局部解耦的具体内容是,当某个拓扑中最长的导条在所有拓扑中有着最小长度时,该拓扑为最大解耦情况。
6.如权利要求1所述的拓扑优化方法,其特征在于:所述导条排布对称性包含导条长度对称性,用节距评估端部导条长度,计算步骤是:
a,计算每根导条的节距;
b,将所有导条节距相加求和,再除以转子槽数,得到每层的平均节距长度;
c,实际导条排布时,使每层节距之和尽量与平均节距相同。
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