一种多层磁障复合转子无刷双馈电机

1.本发明涉及电机磁场调制技术领域，更具体地，涉及一种多层磁障复合转子无刷双馈电机。


背景技术：

2.能源是现代化的基础与动力，能源供应与安全事关现代化的建设全局。新世纪以来，我国陆续出台一系列以“节约、清洁、安全”为方针的政策和规定，能源发展成就显著，能源结构不断优化，节能减排取得成效，科技进步迈出新步伐，建成了世界最大的能源供应体系，有效保障了社会经济的持续发展。无刷双馈电机作为一种新型磁场调制电机，其高效、节能、环保的特点与优势满足国家政策要求，符合行业发展趋势，在新能源发电与变频传动调速应用领域展现出良好的应用前景，具备独有的优势。
3.无刷双馈电机内的磁场调制行为在气隙建立两种有效谐波分量并贡献平均转矩，且经过转子耦合，能够利用功率绕组极对数的有效调制谐波分量，相比传统笼型感应电机的转矩输出能力、转矩密度得以提升。但由于无刷双馈电机气隙磁场分布复杂、谐波分量耦合性强，主要面临转子耦合能力不足、结构优化成本高、功率因数低等难题。另外，凸极(凸极磁阻与多层磁障)与短路线圈结合的复合转子结构一定程度上提升了磁场耦合能力，然而，由于磁场饱和与短路线圈导条内的涡流等因素的影响，无刷双馈电机磁场分布更为复杂，分析时将在更大程度上依赖有限元等数值分析工具。因此，尽管目前围绕“磁场调制”提出了种类繁多、各具优势的新型无刷双馈电机结构，但它的实际工业应用仍面临诸多难题，用于风机、深海水泵等变频调速领域的电机系统相当一部分仍围绕传统笼型感应电机开展，限制了能源结构优化与能源体制改革。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的由于无刷双馈电机气隙磁场分布复杂、谐波分量耦合性强，主要面临转子耦合能力不足、结构优化成本高、功率因数低的技术问题。
5.本发明提供了一种多层磁障复合转子无刷双馈电机，包括：由内而外设置的复合转子和定子，两者之间设有气隙；
6.所述复合转子包含多层磁障与短路线圈；
7.所述定子包括定子铁心、控制绕组与功率绕组，绕组分布缠绕在定子铁心，其中，靠近气隙侧绕组为控制绕组，远离气隙侧绕组为功率绕组。
8.优选地，所述短路线圈调制器由3层短路导条嵌套连接组成，3层短路导条的宽度与间隔非均匀分布。
9.优选地，各所述导条宽度与间隔的值之间大小关系为：最内层》中间层》最外层。
10.优选地，所述短路线圈外围半径与复合转子整体外径相隔1.5mm，保证筋结构预设程度的饱和以限制漏磁。
11.优选地，所述复合转子的凸极率为0.5。
12.优选地，所述多层磁障调制器由2层u型磁障层组成，磁障层宽度与间隔非均匀分布，各磁障层之间保留筋结构且不同磁障层的筋结构宽度不一致。
13.优选地，所述多层磁障调制器与短路线圈调制器均由定子绕组建立的源磁动势异步调制，且两种调制器等效主极对数相同，所建立的调制磁动势频谱一致，满足空间叠加的条件。
14.优选地，当所述控制绕组的主极对数为pc，功率绕组的主极对数为p
p
，多层磁障复合转子的极对数为nr，则三者满足和调制极对数配合关系，即nr＝pc+p
p
。
15.优选地，所述气隙内调制励磁磁场包含复合转子异步调制出的多种谐波分量，其极对数包括2、4、8、10、14对分别对应为2(pc)、4(nr–
pc)、8(nr+pc)、10(2nr–
pc)、14(2nr+pc)；
16.气隙内调制电枢磁场包含复合转子异步调制出的多种谐波分量，其极对数包括2、4、8、10、16对分别对应为2(nr–
p
p
)、4(p
p
)、8(2nr–
p
p
)、10(nr+p
p
)、16(2nr+p
p
)。
17.优选地，所述调制励磁磁场与调制电枢磁场中，极对数、转速对应相等的2、4、8、10对极谐波相互作用产生同步转矩分量，且8、10对极谐波贡献的转矩分量正负相反，为无效转矩分量，即为转矩脉动。
18.有益效果：本发明提供的一种多层磁障复合转子无刷双馈电机，包括：由内而外设置的复合转子和定子，两者之间设有气隙；所述复合转子包含多层磁障与短路线圈；所述定子包括定子铁心、控制绕组与功率绕组，绕组分布缠绕在定子铁心，其中，靠近气隙侧绕组为控制绕组，远离气隙侧绕组为功率绕组。本方案的多层磁障复合转子结构能够提高无刷双馈电机的磁场调制能力，进而改善电机转矩输出特性。具有可靠性高、容错性能强、功率因数可调等优势，在风力发电与船舶驱动等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
19.图1为本发明提供的一种多层磁障复合转子无刷双馈电机截面图；
20.图2为本发明提供的凸极磁阻复合转子与复合转子无刷双馈电机转矩分量对比图；
21.图3为凸极磁阻复合转子与复合转子无刷双馈电机耦合系数对比图。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
23.如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种多层磁障复合转子无刷双馈电机，由内向外依次包括复合转子1、气隙2、定子3。其中，复合转子1由多层磁障11与短路线圈12调制器嵌套组合而成，两种调制器均能够异步调制源磁动势分布，建立一系列磁动势谐波分量；定子3包括定子铁心31、控制绕组32、功率绕组33；分布式控制绕组32及功率绕组33频选范围窄，作为空间谐波滤波器提取有效的气隙磁通密度谐波分量用于感生磁链、电动势，并抑制部分高阶无效谐波。由于转子为多层磁障11与短路线圈12调制器嵌套组合的复合结构，能够调制源磁动势分布以产生一系列磁动势谐波分量，因此，它也被称为调制器。
24.图1所示的复合转子无刷双馈电机，是在传统基础上进行改进提升，具体包括：将无刷双馈磁阻电机凸极转子铁心中添加磁障层，便构成了多层磁障，磁障能够规范磁通路
径，削弱相邻磁极磁场分布，降低凸极边缘漏磁。此外，磁障之间的筋结构保持饱和，能进一步降低漏磁。
25.假定控制绕组32的主极对数为pc，功率绕组33主极对数为p
p
，复合转子1极对数为nr，三者满足和调制极对数配合关系，即nr＝pc+p
p
。
26.气隙2内调制励磁磁场包含复合转子1异步调制出的多种谐波分量，其极对数分别为2(pc)、4(nr–
pc)、8(nr+pc)、10(2nr–
pc)、14(2nr+pc)等。相似地，气隙2内调制电枢磁场包含复合转子1异步调制出的多种谐波分量，其极对数分别为2(nr–
p
p
)、4(p
p
)、8(2nr–
p
p
)、10(nr+p
p
)、16(2nr+p
p
)等。调制励磁磁场与调制电枢磁场中极对数、转速对应相等的2、4、8、10对极谐波相互作用产生同步转矩分量。然而，8、10对极谐波贡献的转矩分量正负相反，为无效转矩分量，即为转矩脉动。另外，由于复合转子1中短路线圈12调制器的存在，使得无刷双馈电机能够建立两个异步转矩分量，分别来自于控制侧和功率侧，由控制绕组(功率绕组)建立的基波磁场分量与控制绕组(功率绕组)感应至复合转子1中短路线圈12调制器建立的基波磁场分量相互作用产生。
27.多层磁障11调制器的调制算子如式(1)所示：
[0028][0029]
其中，φ为调制器参考坐标系，下标s表示定子参考系。m(nr)[
·
]为调制算子，表征多层磁障11调制器存在时对源磁动势分布的影响。调制后的实际磁动势分布为：
[0030][0031][0032][0033]
其中，ω为定子绕组电流电频率，φ0为a相绕组初始角位置，φ1为定子激励电流初始电流角,θ
r0
为转子初始位置，ωr为转子机械角速度。可见，nr个多层磁障单元的复合转子1调制器能够调制产生三种谐波群，它们的极对数分别为p，ln
r-p，lnr+p，幅值可由相应的磁场转换系数c
p,p
，c
p,lnr-p
，c
p,lnr+p
表征。磁场转换系数的周期性、边界性清晰，可由(3)与(4)推导得出。
[0034]
短路线圈12调制器的调制算子如式(5)所示：
[0035][0036]
其中，wj与ij分别为短路线圈12调制器第j个回路的绕组函数与电流。调制后的实际磁动势分布为：
[0037][0038][0039][0040]
其中，ωs＝ω-pωr为转差频率。rr与lr分别为短路线圈12调制器的电阻与电感，φ＝atan(ωslr/rr)为回路阻抗，若电阻rr＝0，则φ＝90deg。若短路线圈12调制器的端部漏感忽略时，回路电感可表示为l＝μ0rgl
stk
g-1
γ(2π/nr)。可见，短路线圈12调制器的磁场调制能力依赖于线圈回路的电阻与电感，且必须满足调制器与源磁动势之间存在转差。基于式(3)-(4)与(7)-(8)理论计算的磁场转换系数列于表i，可见，理论计算与有限元分析结果吻合。如，多层磁障11调制器的源磁场转换系数误差为3.5％，而和调制磁场转换系数误差为4％。
[0041]
表i磁场转换系数对比—多层磁障与短路线圈调制器
[0042][0043]
复合转子无刷双馈电机能够利用多层磁障11和短路线圈12调制器的双重异步调制行为增强复合转子的磁场转换能力，且由于复合转子1中多层磁障11与短路线圈12的极对数nr相等，即多层磁障11与短路线圈12调制器建立的调制磁动势频谱一致，满足空间叠加的条件。此外，两种调制器的磁场调制能力与极对数配合息息相关，若复合转子极对数保
持不变时，n
r-p与p的近极配合能够得到优秀的磁场耦合能力与转矩性能等。无刷双馈电机在双馈模式时，由复合转子1调制后的实际磁动势分布为：
[0044][0045]
其中，θ
oset
源自于多层磁障11与短路线圈12建立的调制磁动势空间相位差。复合转子1的磁场转换系数列于表ii，与有限元分析结果吻合。源磁场转换系数与对应的p对极谐波分量得以提升，且有效的和调制谐波分量幅值同样所有增加。相似的，无效的差调制谐波分量也有所降低，这是由于多层磁障11调制器在异步磁场调制行为中对差调制，尤其是一阶谐波分量的抑制能力相对较强。
[0046]
表ii磁场转换系数对比—复合转子
[0047][0048]
以4/2对极的复合转子无刷双馈电机(nr＝6，pc＝2，p
p
＝4)为例，理论计算的调制气隙磁场频谱与各谐波分量贡献的转矩成分如表iii所示。可见，在控制绕组激励负载模式下，2对极源谐波为0.473t，并贡献约为5.25nm的转矩分量；而一阶和调制4对极谐波为0.318t，并贡献约10.35nm的转矩分量。可见，转矩贡献与谐波极对数正相关。
[0049]
表iii谐波分量与转矩成分对比
[0050][0051]
基于敏感度分析与气隙调制磁场谐波信息，对复合转子无刷双馈电机关键结构参数多目标优化，总结出多层磁障与短路线圈调制器所满足的组合搭配规律如下：
[0052]
①
复合转子的凸极率为0.5，此时，复合转子磁场调制能力强，且空间充裕，短路导条宽度设计裕度大；
[0053]
②
短路线圈调制器由3层短路导条嵌套连接组成，3层短路导条宽度与间隔非均匀分布，具体为导条宽度与间隔最内层》中间层》最外层。此外，短路线圈外围半径与复合转子
外径相隔1.5mm，保证复合转子外侧筋结构一定程度的饱和，限制漏磁；
[0054]
③
多层磁障调制器由2层u型直角磁障层组成，磁障层宽度与间隔非均匀分布，具体为磁障层宽度与间隔内层》外层。各磁障层之间保留筋结构且不同磁障层的筋结构宽度不一致。
[0055]
值得注意的是，上述组合搭配规律并非经过有限的尝试容易得到的数值范围，而是充分借鉴磁场调制分析思路，结合无刷双馈电机的转矩机理与调制气隙磁场分布，在满足电机正常运行的极对数配合条件时，综合考虑电机转矩输出能力、转矩脉动、功率因数、损耗、效率等外特性表现，整理、汇总大量电机优化数据而总结出的一般性结论。这一结论不仅仅适用于4/2对极复合转子无刷双馈电机，当电机的极对数配合为3/1对极、2/1对极、5/2对极、5/3对极、6/2对极、6/4对极等时，复合转子同样满足3层短路导条嵌套短路线圈与2层u型直角多层磁障组合形式，且相应不对称分布规律同样满足，仅结构参数最优解有所差异。相关技术人员在分析、优化无刷双馈电机时，能够快速确定复合转子空间分布方式，并大致确定多层磁障与短路线圈的比例关系，具备明确的理论指导，而非盲目性地、经验性地试验与探索，从而节省电机优化成本，具有现实的工程指导意义。另外，考虑到满足无刷双馈电机正常运行的极对数配合过多，本专利仅以典型的4/2极电机为例，说明复合转子组合搭配的技术思想。
[0056]
结合图2可知，与凸极磁阻复合转子无刷双馈电机对比，本专利提出的复合转子无刷双馈电机能够改善调制气隙磁场分布及转矩输出特性。以双馈运行模式为例，同步转矩分量由24.8nm提升至27.7nm，增加了11.8％；而异步转矩分量由1.4nm提升至2.1nm，增加了48.9％。同时，在增加转矩输出能力的条件下，能够一定程度上抑制负载转矩脉动、损耗等负面因素，具有优秀的外特性表现。由图3可知，复合转子无刷双馈电机的耦合系数最高，达到31.1，高于凸极磁阻复合转子的24.9，展现出强磁场耦合能力。
[0057]
本方案具有两个交流电气端口和一个公共机械端口的新型复合电机，具有可靠性高、容错性能强、功率因数可调等优势，在风力发电与船舶驱动等领域具有广阔的应用前景。复合转子是一种耦合能力强、气隙谐波含量低的转子结构，其衍变过程可以表征为，将无刷双馈磁阻电机的凸极转子铁心中添加磁障层，便构成了磁障转子，在磁障转子中添加短路线圈结构，便构成了多层磁障与短路线圈相结合的复合转子无刷双馈电机。
[0058]
有益效果：
[0059]
本发明公开了一种多层磁障复合转子无刷双馈电机，包括由内而外设置的复合转子和定子，两者之间设有气隙；所述多层磁障复合转子中，包含多层磁障与短路线圈两种转子结构；短路线圈调制器由3层短路导条嵌套连接组成，多层磁障调制器由2层u型磁障层组成，以保证高效的磁场调制能力；多层磁障和短路线圈调制器均为异步调制行为，双重异步调制行为能够增强复合转子的磁场转换能力，提升相应的有效磁场转换系数，增强磁场耦合能力，增加额外异步转矩分量；所述定子包括定子铁心、控制绕组与功率绕组，绕组分布缠绕在定子铁心。多层磁障复合转子结构能够提高无刷双馈电机的磁场调制能力，进而改善电机转矩输出特性。
[0060]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0061]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造
概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0062]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种多层磁障复合转子无刷双馈电机，其特征在于，包括：由内而外设置的复合转子和定子，两者之间设有气隙；所述复合转子包含多层磁障与短路线圈；所述定子包括定子铁心、控制绕组与功率绕组，绕组分布缠绕在定子铁心，其中，靠近气隙侧绕组为控制绕组，远离气隙侧绕组为功率绕组。2.根据权利要求1所述的多层磁障复合转子无刷双馈电机，其特征在于，所述短路线圈调制器由3层短路导条嵌套连接组成，3层短路导条的宽度与间隔非均匀分布。3.根据权利要求2所述的多层磁障复合转子无刷双馈电机，其特征在于，各所述导条宽度与间隔的值之间大小关系为：最内层>中间层>最外层。4.根据权利要求3所述的多层磁障复合转子无刷双馈电机，其特征在于，所述短路线圈外围半径与复合转子整体外径相隔1.5mm，保证筋结构预设程度的饱和以限制漏磁。5.根据权利要求1所述的多层磁障复合转子无刷双馈电机，其特征在于，所述复合转子的凸极率为0.5。6.根据权利要求1所述的多层磁障复合转子无刷双馈电机，其特征在于，所述多层磁障调制器由2层u型磁障层组成，磁障层宽度与间隔非均匀分布，各磁障层之间保留筋结构且不同磁障层的筋结构宽度不一致。7.根据权利要求1所述的多层磁障复合转子无刷双馈电机，其特征在于，所述多层磁障调制器与短路线圈调制器均由定子绕组建立的源磁动势异步调制，且两种调制器等效主极对数相同，所建立的调制磁动势频谱一致，满足空间叠加的条件。8.根据权利要求1所述的多层磁障复合转子无刷双馈电机，其特征在于，当所述控制绕组的主极对数为p
c
，功率绕组的主极对数为p
p
，多层磁障复合转子的极对数为n
r
，则三者满足和调制极对数配合关系，即n
r
＝p
c
+p
p
。9.根据权利要求8所述的多层磁障复合转子无刷双馈电机，其特征在于，所述气隙内调制励磁磁场包含复合转子异步调制出的多种谐波分量，其极对数包括2、4、8、10、14对分别对应为2(p
c
)、4(n
r
–
p
c
)、8(n
r
+p
c
)、10(2n
r
–
p
c
)、14(2n
r
+p
c
)；气隙内调制电枢磁场包含复合转子异步调制出的多种谐波分量，其极对数包括2、4、8、10、16对分别对应为2(n
r
–
p
p
)、4(p
p
)、8(2n
r
–
p
p
)、10(n
r
+p
p
)、16(2n
r
+p
p
)。10.根据权利要求9所述的多层磁障复合转子无刷双馈电机，其特征在于，所述调制励磁磁场与调制电枢磁场中，极对数、转速对应相等的2、4、8、10对极谐波相互作用产生同步转矩分量，且8、10对极谐波贡献的转矩分量正负相反，为无效转矩分量，即为转矩脉动。

技术总结
本发明属于电机磁场调制技术领域，具体提供了一种多层磁障复合转子无刷双馈电机，包括：由内而外设置的复合转子和定子，两者之间设有气隙；所述复合转子包含多层磁障与短路线圈；所述定子包括定子铁心、控制绕组与功率绕组，绕组分布缠绕在定子铁心，其中，靠近气隙侧绕组为控制绕组，远离气隙侧绕组为功率绕组。本方案的多层磁障复合转子结构能够提高无刷双馈电机的磁场调制能力，进而改善电机转矩输出特性，具有可靠性高、容错性能强、功率因数可调等优势，在风力发电与船舶驱动等领域具有广阔的应用前景。阔的应用前景。阔的应用前景。


技术研发人员：文宏辉 龙定邦 帅智康
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/25