定頻雙轉子發電機的分數槽繞組選擇和設計

王敏希，張建忠，程 明

(東南大學，江蘇南京210096)

0引 言

能源緊缺和環境污染是人類面臨的兩大重要問題，大力發展清潔可再生能源成為世界能源實現可持續發展的重要戰略措施。風力發電是新能源技術中最為成熟、最具商業化前景的方式之一。隨著電氣無級變速器(EVT)［1］、四象限能量變換器 4QT［2］以及雙機械端口(DMP)電機［3-4］等概念的提出，雙轉子永磁電機憑借其效率高、功率密度高等優點成為研究的熱點。

在風力發電領域，文獻［5］提出了一種定頻雙轉子發電機，它可被視為永磁化雙饋異步電機。應用該發電機的變速恒頻發電系統結合了目前國際上占主導地位的雙饋變速恒頻發電系統和永磁直驅變速恒頻發電系統兩者的優點［6-7］，該系統去除了機械增速齒輪箱，與雙饋變速恒頻發電系統相同，只需部分功率變換器控制內轉子繞組電流，便可實現變速恒頻發電，定子繞組通過級聯功率變換器直接并網，級聯功率變換器可提供發電機的阻尼，克服了永磁直驅變速恒頻發電系統中永磁發電機轉子無法安裝阻尼繞組的缺點，提高并網運行性能，有利于功率因數調節，降低發電機起動合閘沖擊電流、電網故障以及各種擾動引起的瞬態電流，優化系統電能質量。

但是定頻雙轉子發電機作為永磁電機的一種，它存在空載反電勢諧波含量高和定位力矩大等缺點。空載反電勢中的諧波會使電機的損耗增加，效率下降，溫升升高，影響電機的運行性能。定頻雙轉子電機的定子直接接入電網，其反電勢諧波還會對電網造成影響。定位力矩是由外轉子表面的永磁磁鋼和定子、內轉子齒槽相互作用而形成的，它的存在將會使電機產生振動和噪聲。因此，電機設計時，應盡量減小空載反電勢諧波含量，特別是定子空載反電勢的諧波含量以及定位力矩。

本文將設計不同槽數的定頻雙轉子發電機，并研究不同設計方案對空載反電勢諧波含量以及定位力矩的影響，最后選出空載反電勢諧波含量和定位力矩都比較小的設計方案。

1電機基本結構和原理

如圖1所示，定頻雙轉子發電機主要由定子、外轉子以及內轉子三部分組成，定子和內轉子分別裝有三相對稱繞組，外轉子為永磁式轉子，位于定子和內轉子中間，其內外表面貼有平行充磁的永磁磁鋼。風機通過轉軸帶動內轉子旋轉，內轉子繞組接半功率變換器，通過其控制內轉子電流，使得內氣隙磁場恒定，從而使外轉子保持恒定速度旋轉，實現定子的變速恒頻發電［5］。

圖1 定頻雙轉子發電機截面圖

本文主要設計五種槽數不同的定頻雙轉子永磁發電機，分別是內轉子/定子槽數為18/18、24/24、30/30、36/36以及42/42的雙轉子電機。五種方案的共同點在于:電機極對數都為4，電機尺寸(除槽外)相同。采用有限元法對五種發電機設計方案進行建模和分析，以獲得電機空載反電勢諧波含量和定位力矩都較小的方案。電機主要尺寸如表1所示。

表1 電機的主要尺寸

2分數槽概念

定頻雙轉子發電機的內轉子和定子安裝有三相電樞繞組，根據每極每相槽數q值可將電機分為整數槽和分數槽，當q為整數時即為整數槽，q為分數時即為分數槽［8-11］。

整數槽電機以一對極為一個周期，而分數槽電機則不同。假設電機的槽數和極對數的公約數為t，電機槽數Z可以表示為Z=Z0t，電機極對數p可以表示為p=p0t，則每極每相槽數q可以表示:

分析此表達式可知，分數槽電機以p0對極為一個周期。為了方便分析，可以把p0對磁極所對應的部分看成虛擬單元電機，一臺電機由t個虛擬單元電機組成。

每極每相槽數q可以改寫成以下形式:

式中:c、d為無公因數。

三相定頻雙轉子發電機的單元電機數和單元電機槽數可表達如下:

單元電機數:

單元電機槽數:

電機的繞組循環數序由d個數組成，其中c個數為(b+1)，(d-c)個數為b。(b+1)及b交錯均勻排列就構成循環組。

繞組因數反映了繞組因采用短距和分布結構而使其相電勢減小的程度，分數槽繞組因數［12］推導如下:

繞組因數:Kdp=KdKp

3定頻雙轉子發電機的繞組設計

本文主要針對定頻雙轉子發電機設計了五種繞組排列方案，其中內轉子/定子槽數為24/24的電機是整數槽電機，其他四種方案為每極每相槽數q值不同的分數槽電機。

3．1 18/18 槽電機

18/18槽電機每極每相槽數q=3/4，為分數槽繞組。取其繞組節距為2，計算得其單元電機數為2，單元電機槽數為9，繞組循環數為1 110，其單相繞組排列方式如圖2所示［13］。

圖中，實線表示繞組放置在該槽上層，虛線表示繞組放置在該槽下層。

圖2 18/18槽電機繞組分布圖

圖3表示18/18槽電機最優的定子和內轉子三相空載反電勢，圖中定子空載反電勢諧波含量為5．12%，內轉子空載反電勢諧波含量為7．71%。

圖3 18/18槽電機空載反電勢

3．2 24/24 槽電機

24/24槽電機每極每相槽數q=1，為整數槽繞組。取其繞組節距為3，繞組的排列方式如圖4所示。其中，實線表示繞組放置在該槽上層，虛線表示繞組放置在該槽下層。

圖4 24/24槽電機繞組分布圖

圖5表示24/24槽電機最優的定子和內轉子三相空載反電勢，其中定子空載反電勢諧波含量為26．01%，內轉子空載反電勢諧波含量為21．98%。

圖5 24/24槽電機空載反電勢

3．3 30/30 槽電機

30/30槽電機每極每相槽數q=5/4，為分數槽繞組。取其繞組節距為3，計算得其單元電機數為2，單元電機槽數為15，繞組循環數為2111，繞組因數為0．956 7，其繞組排列方式如圖6所示。圖中，實線表示繞組放置在該槽上層，虛線表示繞組放置在該槽下層。

圖6 30/30槽電機繞組分布圖

圖7表示30/30槽電機最優的定子和內轉子三相空載反電勢，其中定子空載反電勢諧波含量為2．40%，內轉子空載反電勢諧波含量為5．07%。

圖7 30/30槽電機空載反電勢

3．4 36/36 槽電機

36/36槽電機每極每相槽數q=3/2，為分數槽繞組。取其繞組節距為4，計算得其單元電機數為4，單元電機槽數為9，繞組循環數為12，繞組因數為0．959 8，其繞組排列方式如圖8所示。圖中，實線表示繞組放置在該槽上層，虛線表示繞組放置在該槽下層。

圖8 36/36槽電機繞組分布圖

圖9表示36/36槽電機最優的定子和內轉子三相空載反電勢，其中定子空載反電勢諧波含量為5．74%，內轉子空載反電勢諧波含量為5．68%。

圖9 36/36槽電機空載反電勢

3．5 42/42 槽電機

42/42槽電機每極每相槽數q=7/4，為分數槽繞組。取其繞組節距為5，計算得其單元電機數為2，單元電機槽數為21，繞組循環數為2 221，繞組因數為0．955 8，其繞組排列方式如圖10所示。其中，實線表示繞組放置在該槽上層，虛線表示繞組放置在該槽下層。

圖10 42/42槽電機繞組分布圖

圖11表示42/42槽電機最優的定子和內轉子三相空載反電勢，其中定子空載反電勢諧波含量為4．51%，內轉子空載反電勢諧波含量為4．16%。

圖11 42/42槽電機空載反電勢

3．6結果分析與實驗驗證

基于以上分析，圖12給出了不同槽數定頻雙轉子電機經優化后其空載反電勢諧波含量和定位力矩峰峰值的比較。

從圖中可明顯看出，相對于定子/內轉子槽數為24/24的整數槽電機而言，分數槽電機的空載反電勢諧波含量和定位力矩峰峰值明顯要低很多。另外，每極每相下槽數q值不同的分數槽對空載反電勢諧波含量和定位力矩的影響也不同。定子/內轉子采用30/30的分數槽時，其空載反電勢諧波含量和定位力矩峰峰值均較低。因此，定子/內轉子槽數為30/30的定頻雙轉子電機是五個方案中的最佳方案。

圖12 空載反電勢諧波含量和定位力矩比較

按照上述最佳方案制造樣機如圖13所示。為了進一步減小電機空載反電勢諧波含量和定位力矩，樣機采用斜槽的方式［14］，其定子和內轉子槽在同一方向上斜12°。

樣機的定子和內轉子空載反電勢實測波形如圖14所示。與圖7理論空載反電勢波形相比，兩者形狀相同，幅值接近。表2給出了空載反電勢諧波含量和定位力矩理論值和實測值的比較，從表中可以看出，理論和實測的空載反電勢諧波含量基本一致。

圖14 空載反電勢波形

表2 理論分析和實驗結果的比較

4結 語

本文主要設計了內轉子/定子槽數為18/18、24/24、30/30、36/36和42/42五種繞組結構的定頻雙轉子電機，通過分析和計算證明分數槽的反電勢諧波含量和定位力矩比整數槽明顯低很多，每極每相下槽數q值不同的分數槽對空載反電勢諧波含量和定位力矩的影響也不同，內轉子/定子槽數為30/30的電機其空載反電勢諧波含量和定位力矩都比較小。因此，對于本文要求設計的定頻雙轉子發電機而言，內轉子/定子采用30/30槽組合是最佳選擇。

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