新型雙轉子永磁電機轉速同步技術的探討

李國銘 王宏偉

（包頭長安永磁電機有限公司，包頭 014030）

市場上雙轉子電機應用種類是比較多的，大都以德國Neuberger博士發明的一種雙轉子異步電機作為基礎。目前，廣泛采用的雙轉子電機普遍具有一些顯著的性能特征，如結構簡單小巧、震動噪音低、使用壽命長、運行效率高等。因此，其能大幅度降低電機的體積以及重量，提升電機系統的能量轉化效率和運行性能，廣泛使用在包括風水力發電設備、高檔電動車以及飛機等的渦輪引擎發動機、魚雷及潛艇等的對轉推進器等領域，有很大的發展空間。

1 雙轉子永磁電機概述

雙轉子永磁電機是一種目前被廣泛采用的高精度電機設計技術，其主要結構特點在于內、外轉子的設計構成，電機中的內轉子是由轉子支架、實心內軸以及轉子繞組鐵芯等部件組成，轉子支架固定在內軸上，并將繞組鐵芯直接安裝于轉子支架上。外轉子的設計結構包括殼體部分、外轉子的前備蓋和后背蓋、外轉子外側軸等組件。電機的內軸驅動端同時連接固定外側軸，外側軸上也接在外轉子的前備蓋部位，而外轉子的后背蓋則需要安裝在內軸的非驅動一側端，外轉子前備蓋與外轉子后背蓋之間需要接連外轉子的接地殼體，外轉子的殼體上一般會家裝磁鋼封套，內轉子與外轉子中間借助主軸承來支撐殼體。

在實踐過程中，通過積累使用經驗逐漸發現，采用2極和4極線圈電機的運行效率以及功率系數，對比普通的異步電機運行效率和功率系數，要分別提升4%和7%。這些情況已經得到充分證實，在相關的研究中，學者深入研究了雙轉子單定子并采取徑向環形通量纏繞導體線圈永磁電機的情況。研究表明，試驗樣機的實際轉矩磁通密度近似等于相同功率（輸出功率為2940W）的普通感應電機磁通密度的4倍，也是輸出功率為3675W的稀土永磁電機磁通密度的2.5倍。盡管研究中采用的是低廉的普通體鐵氧型磁鐵，但電機的運轉效率仍高達88%，這顯然是一個非常高的轉化效率。因此，雙轉子永磁電機得到了更多的關注和研究，并取得非常不錯的成績。

2 新型雙轉子永磁電機轉速同步技術的分析

2.1 實現機理分析

本文主要以風力發電機為例，進一步討論雙轉子永磁發電機的工作機理。目前，已經廣泛采用的風力雙轉子永磁發電機主要包括3種：直流雙轉子永磁發電機、異步雙轉子永磁發電機和同步交流雙轉子永磁發電機。無論是哪一種電機，其基本組成都要包括轉子和定子這兩種部件，通過轉子在變化磁場中轉動進而在繞組內形成感應電勢差，以實現機械能直接轉化為電能的目的。而無論轉化效率多高，也不可能把全部風能都轉變成電能，但在假定風輪面積、氣流密度、風速以及機械轉化效率不變的前提條件下，整個發電機轉化輸出的功率與風能的利用效率系數Cp呈正相關。

按照貝茨理論，風能利用效率系數Cp的最大值是0.603，但實際的風力發電機可利用的運行風速的范圍還是比較狹窄的，對風能的利用效率系數一般都比較低，其數值選取約為0.3，半數以上的風能難以得到利用。所以，怎樣提升風能轉化效率系數，進一步提高發電機的工作風速選擇范圍，這對于風能的有效轉化和利用都有著非常重要的現實意義。依照對電磁感應的定義及其原理，閉合導體在磁場內橫向運動時，會切割磁力線形成感應電勢差，其大小可以由式（1）進行計算。

式中，N為纏繞線圈的匝數；m為線圈主磁通量的平均幅值，Wb，α是線圈旋轉時的角速度，rad/s；t為運轉的時間，s。

實際上，雙轉子永磁同步電機相比于普通永磁同步電機，其最大的區別是雙轉子永磁同步電機的電樞部分也能夠進行旋轉，而這兩個轉子發生旋轉運動的動力則主要由于電樞和永磁體之間形成的磁場間彼此作用，所以內外兩個轉子會按照相反的旋轉方向進行轉動。

因此，由式（1）可知，如果電機選擇雙轉子運行結構，此時的絕對轉速即使比較低，也仍然能使繞組和磁場的相對旋轉速度變大。通過式（1）分析可以得到：式中，α1、α2為內、外轉子的平均角速度。

當雙轉子同步發電機處于理想的運行狀態時，內、外轉子的轉動速度大小一致且轉向相反。不妨設α1=α，而α2=-α，于是可得：

對比式（1）和式（3）可以看出，在條件不變的情況下，采用雙轉子永磁發電機其對風能的利用效率以及實際電機的發電能力都顯著提升100%。而且，風速比較低的情況下也能正常運行，并有效減小了風速的起動值，擴大了雙轉子發電機運行風速的工作范圍。

2.2 數學模型的建立

雙轉子永磁同步電機相比于普通永磁同步電機，其最根本的差異就是本來處于靜止狀態的定子如今也能夠同步轉動，所以，這兩個轉子都具有數量一致的電磁函數關系，而完全不同的地方就是它們旋轉的方向相反。對于雙轉子永磁同步電機來說，其電磁轉矩驅動兩個轉子向相反的方向旋轉，同時還保持著相同的慣性動量以及轉動速度。雙轉子永磁同步電機的設計機理主要憑借內轉子坐標系（即d-q軸坐標系），由此可得的外轉子磁通量、外轉子電勢差以及電磁轉矩的函數關系如下：

式中，d、q為外轉子的磁通量；Ud、Uq為外轉子的電勢差；Te為電磁轉矩；id、iq為電流在d、q軸的垂直分量；Ld和Lq分別為外轉子線圈繞組在d、q軸的等效耦合電感；f為電機內轉子的永磁通量；r為電機外轉子的電阻取值；p為微分函數的計算因子；np為電機電極的對個數；α1、α2為內外轉子的角速度。

2.3 轉速同步技術分析

在確保電機轉速同步方面，從雙轉子電機結構設計進行考慮，使用的永磁稀土內轉子，是利用當前永磁電機市場中性價更高的N42S型的鐵釹硼材料。同時，進一步簡化加工工藝以降低漏磁等情況的發生率，在設計中還需使用徑向封蓋套環結構，防止電磁能量的散失，以提高內外轉子的同步效率。

3 結語

雙轉子永磁電極在實際應用領域表現得相當完美，因此也得到更多的研究、推廣和使用。對于雙轉子電機的轉速同步設計，人們必須充分考慮一些設計細節，并注意加工工藝的選擇。雙轉子永磁電機是一項非常有前景的技術，值得人們進行更深入的研究。

[1]張林森，徐海珠，胡平，等.新型雙轉子永磁電機轉速同步技術的研究進展[J].微特電機，2015，43（4）：77-80.

[2]蕭如晶.新型雙轉子永磁同步風力發電機控制系統的研究[D].廣州：華南理工大學，2011：8-9.