双定子无刷双馈发电机电磁分析与实验研究_蒋晓东.pdf

第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 双定子无刷双馈发电机电磁分析与实验研究蒋晓东，吕森（沈阳理工大学自动化与电气工程学院，沈阳 ）摘要：针对现有传统结构无刷双馈发电机（，）功率密度较低、磁场调制能力较弱的问题，提出了一种新型混合转子双定子无刷双馈发电机（，）。阐述了该新型发电机的机械拓扑结构和运行原理，采用有限元方法分别对该发电机在空载和负载运行时的电磁性能进行了仿真分析。研制了台额定功率为、额定转速为 的实验样机，对样机绕组电阻和电感参数进行了测量，搭建了样机空载和负载运行时的实验平台，对样机在额定转速下空载和负载运行时的电压、电流及效率进行了测试，通过将实验结果与仿真结果进行对比，验证了新型混合转子 电磁设计的合理性和正确性。关键词：混合转子；无刷双馈发电机；电磁性能；仿真分析；实验研究中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：（），（），：；收稿日期：基金项目：沈阳理工大学引进高层次人才科研支持计划项目（）第一作者：蒋晓东（），男，副教授，主要研究方向为特种电机设计及控制，是近年来发展起来的一种新型发电机，广泛应用于变速恒频风力发电系统。与传统的有刷双馈发电机相比，省去了电刷和集电环装置，大大降低了发电机的故障率，提高了运行的稳定性，然而现有 受困于转子结构带来的磁场耦合能力较弱的问题，导致发电机的功率密度较低。转子结构主要有笼型转子、绕线型转子和磁阻类转子。其中，笼型转子采用同心式短路笼条，加工工艺比较简单，但是定转子磁场耦合仅靠笼条内短路电流来实现，导致发电机的功率密度较低；普通凸极磁阻转子磁场耦合能力较弱，而轴向 叠 片 各 向 异 性（，）磁阻转子虽然磁场耦合能力较强，但运行时转子结构中会产生涡流，涡流损耗会影响发电机效率。刘慧娟等 提出一种径向叠片式转子结构，此转子结构的加工工艺比较简单，磁场耦合能力较笼型转子和 磁阻转子有一定的提高。张凤阁等 提出一种复合型转子结构，该转子结构装配简单，磁场耦合能力得到了进一步提高。国内外专家学者针对双定子 同样进行了研究。等 针对双定子 功率密度较低的问题，提 出 了改善 功 率密度 的 优 化 方 法。王 一等 对双定子 温度场进行了仿真分析，得到了各主要结构件的温度分布规律。等 针对双定子 提出了一种基于磁化电流的改进矢量控制方案，提高了电机的瞬态性能。综上所述，为了更好地提高 的磁场耦合能力和功率密度，研发具有新型转子结构的 是未来的发展方向之一。针对上述问题，本文提出一种新型混合转子 ，阐述该电机的机械拓扑结构、转子结构及运行机理，采用有限元方法分别对混合转子 空载和负载运行时的电磁性能中 国 科 技 论 文第 卷进行仿真分析。研制一台额定转速为 的 实验样机，对样机参数、空载及负载运行时的电磁性能进行测试。混合转子 拓扑结构与运行机理 拓扑结构混合转子 机械拓扑结构如图所示，其中外定子与机座之间采用热套工艺进行装配，内定子固定在静止轴上，静止轴前端与转子前支架之间加装支承轴承，后端通过过盈配合与机壳后端盖固定装配。混合转子 传动结构由旋转轴、转子前支架、转子及转子后支架构成，其中，为了降低装配难度，将旋转轴与转子前支架加工成个整体结构，转子前后支架分别通过螺栓固定在转子隔磁套筒的两侧，为了保证传动结构能够稳定运行，转子后支架与机壳后端盖之间加装了球轴承。外定子；内定子；静止轴；旋转轴和转子；转子；转子后支架图机械拓扑结构 混合转子由径向叠片磁障结构和笼条共同构成，如图所示。磁障和笼条的组合方式可以进一步提高转子的磁场调制能力，进而提高电机的功率密度。与此同时，磁障由内、外相同的模块构成，这样的对称结构可以实现仅加工种叠片即可以组装成整个转子，降低了加工成本，便于生产。笼条；外磁障模块；内磁障模块前支架图 转子结构 运行机理混合转子 是由双定子和单转子构成的具有新型结构的磁场调制电机，内、外单元电机定子槽内均放置套绕组（功率绕组，极对数为；控制绕组，极对数为），其中，外定子槽中的功率绕组和内定子槽中的功率绕组采用串联方式进行连接，构成总功率绕组，外定子槽中的控制绕组与内定子槽中的控制绕组同样采用串联方式进行连接，构成总控制绕组，总功率绕组直接与电网连接，而总控制绕组则通过与双向变频器连接后间接连接到电网。混合转子 运行系统如图所示。图混合转子 运行系统 混合转子 运行时，转速与绕组频率之间的关系可表示为（）。（）式中：为电机转速；为功率绕组频率；为控制绕组频率；“”表示运行在超同步状态，而“”表示运行在亚同步状态。为时，表示控制绕组由直流 电 源 供 电，发 电 机 此 时 运 行 在 自 然 同 步 速状态。混合转子 电磁有限元分析 主要结构参数混合转子 电磁设计目的是根据设计要求（额定功率、额定转速，调速范围及额定电压等）确定电机主要结构参数。该发电机内、外功率分配关系由式（）和式（）确定：，（）。（）式中：为额定输出功率；为外单元电机输出功率；为内单元电机输出功率；和 分别为外定子内径和内定子外径。基于混合转子 内、外单元电机的功率分配关系，确定内、外单元电机主要尺寸。其中外单元电机主要尺寸确定关系为 .。（）式中：为外单元电机的计算功率；为铁心轴向长度；为外单元电机的计算极弧系数；和 分别为外气隙磁场波形系数和基波绕组系数；为线负荷；为外气隙磁密。内单元电机主要尺寸确定方法与外单元电机相同。第期蒋晓东，等：双定子无刷双馈发电机电磁分析与实验研究本文以额定功率为 、额定转速为 的混合转子 为设计对象，其主要结构参数见表。表主要结构参数 参数数值参数数值外定子外径 隔磁套筒厚度 外定子内径 外定子槽数 转子外径 内定子槽数 转子内径 铁心轴向长度 内定子外径 功率绕组极对数内定子内径 控制绕组极对数 空载有限元分析采用有限元方法对额定功率为 的混合转子 运行在额定转速下的空载电磁性能进行了仿真分析。当控制绕组（极）作为励磁绕组、功率绕组（极）开路时，内、外定子控制绕组电压随时间变化曲线如图所示，内、外定子功率绕组开路电压随时间变化曲线如图所示。图控制绕组电压随时间变化曲线 图功率绕组开路电压随时间变化曲线 由图和图可知：内、外控制绕组励磁电压频率均为 ，满足式（）中频率与转速的关系，外控制绕组励磁电压有效值为 ，内控制绕组励磁电压有效值为 ，总控制绕组励磁电压有效值为 ；内、外功率绕组开路电压相位一致，频率均为 ，外功率绕组开路电压有效值为 ，内功率绕组开路电压有效值为 ，总开路电压有效值为 。空载运行时，混合转子 内、外气隙磁密随圆周位置变化曲线和谐波分析结果分别如图、图所示。图内气隙磁密和谐波分析 图外气隙磁密和谐波分析 由图和图可知：内气隙中起主要作用的控制绕组次谐波磁场幅值为 ，功率绕组次谐波磁场幅值为 ；外气隙中起主要作用的控制绕组次谐波磁场幅值为 ，功率绕组次谐波磁场幅值为 。表明外气隙中磁场磁密略大于内气隙磁场密度。负载有限元分析采用有限元方法对额定功率为 的混合转子 运行在额定转速 下的负载电磁性能进行了仿真分析。同样是控制绕组励磁，而中 国 科 技 论 文第 卷功率绕组接入额定负载，稳定运行时电机的磁力线和磁场分布如图所示。图磁力线和磁场分布 由图可知，混合转子 负载运行时磁力线为十极对称分布，与等效极对数（功率绕组极对数控制绕组极对数）相同，且漏磁较小，最大齿磁密约为，说明混合转子 设计合理。负载运行时，内、外气隙中磁密随位置的变化曲线及谐波分析结果分别如图、图 所示。可知：内图内气隙磁密和谐波分析 图 外气隙磁密和谐波分析 气隙中起主要作用的控制绕组次谐波磁场幅值为 ，功率绕组次谐波磁场幅值为 ；外气隙中起主要作用的控制绕组次谐波磁场幅值为 ，功率绕组次谐波磁场幅值为 。混合转子 运行在额定转速且带额定负载时的功率绕组输出电压随时间变化曲线如图 所示。可以看出，内、外功率绕组输出电压相位一致，频率为 ，其中外功率绕组电压有效值为 ，内功率绕组电压有效值为 ，总功率绕组输出电压有效值为 。图 功率绕组负载电压随时间变化曲线 实验本文研制了台额定功率为、额定转速为 的样机，对样机的参数以及额定转速下空载和负载电磁性能进行了测试。样机数据见表，整机结构和转子结构分别如图 和图 所示。参数测试利用 型数字直流电桥（图）分别测量总功率绕组和控制绕组的相电阻，测量结果见表。第期蒋晓东，等：双定子无刷双馈发电机电磁分析与实验研究表样机数据 参数数值参数数值额定功率 额定转速（）功率绕组相数控制绕组相数功率绕组极数 控制绕组极数功率绕组额定电流 控制绕组额定电流 功率绕组频率 控制绕组频率范围 图 整机结构 图 转子结构 采用静测法对样机绕组间的电感参数进行测试，测试平台如图 所示，结果见表。图 型数字直流电桥 表样机绕组电阻 绕组相相相功率绕组 控制绕组 图 电感测试平台 表绕组自感和互感 绕组 注：表示功率绕组；表示控制绕组；下角标大写字母表示外定子某相，小写字母表示内定子某相。由表可知：外功率绕组相绕组与内功率绕组 相 绕 组 串 联 后 构 成 的 总 功 率 绕 组 自 感 为 ，与相总功率绕组的互感为；外控制绕组相绕组与内控制绕组相绕组串联后构成的总控制绕组自感为 ，与相总控制绕组的互感为 ；总功率绕组相绕组与总控制绕组相绕组的总互感为 。空载实验混合转子 额定转速下空载特性测试的主要步骤如下：极控制绕组侧加励磁，极功率绕组侧开路；原动机拖动样机开始旋转；逐渐调节控制绕组电压（保持功率绕组开路电压频率为 ），记录控制绕组电压、电流和功率绕组开路电压，并记录开路电压的波形。按照上述实验步骤，搭建样机的空载实验平台，如图 所示。图 空载实验平台 样机在额定转速下，极控制绕组励磁、极功率绕组发电时开路电压随时间变化波形如图 所中 国 科 技 论 文第 卷示。可以看出，内定子槽中功率绕组的开路电压、外定子槽中功率绕组的开路电压以及二者串联连接后的总功率绕组开路电压波形的相位均一致，且频率皆为 ，说明混合转子 样机设计合理。图 空载电压波形 控制绕组励磁电流与功率绕组端电压的关系如图 所示。可以看出，当励磁电流为 时，功率绕组端电压为 ，且随着励磁电流的增大，端电压增加趋势放缓。图 励磁电流与端电压的关系 负载实验混合转子 样机在负载情况下的电磁性能实验平台如图 所示。同样是极控制绕组励磁，极功率绕组发电，负载运行实验步骤如下：调节原动机转速，拖动样机开始旋转；依次增加负载，通过调节励磁，始终保证输出电压恒定不变，记录每次改变负载后励磁电压、励磁电流、发电电压、发电电流的波形。样机在额定转速下的励磁电流和负载图 负载实验平台 电流随负载变化曲线如图 所示。可知，随着负载的不断增大，控制绕组中的励磁电流和功率绕组中的负载电流均逐渐增大。图 励磁电流、负载电流随负载变化曲线 样机在额定转速下的效率随负载变化曲线如图 所示。可知，样机在额定转速下运行时，效率随负载的增大呈现先上升后降低的趋势，效率最大值约为。图 效率随负载变化曲线 额定转速和负载下样机功率绕组输出电压随时间变化曲线如图 所示。可以看出，功率绕组负载电压有效值为 ，与仿真结果基本一致，从而验证了仿真结果的正确性。图 负载电压随时间变化曲线 结论针对传统单定子无刷双馈电机转子磁场耦合能第期蒋晓东，等：双定子无刷双馈发电机电磁分析与实验研究力较弱、功率密度较低的问题，提出了一种新型混合转子 ，介绍了该电机的拓扑结构及运行机理，采用有限元方法分别对该发电机空载和负载运行时的电磁性能进行了仿真分析。结果表明，空载运行时内、外单元电机功率绕组开路电压相位保持一致，频率均为 ，开路电压有效值为 ，励磁电压频率为 ，仿真结果符合该发电机的运行机理。负载运行时功率绕组输出电压的有效值为 。研制了该新型发电机的实验样机，对样机在空载和负载情况下的电磁性能进行了测试，实验结果表明，空载运行时内、外单元电机功率绕组侧开路电压保持相位一致，频率均为 ，说明该发电机设计合理；负载运行时励磁电流随负载的增加而不断增大，最大效率约为，功率绕组输出电压有效值与仿真结果