CN102545502A - 双定子无刷双馈电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双定子无刷双馈电机，包括外定子、转子、内定子和双向整流逆变器，其中外定子上2p极定子绕组为功率绕组，与电网直接相连，内定子上2q极定子绕组为控制绕组，经双向整流逆变器与电网相连。转子有两层鼠笼，在转子的一端两层鼠笼导条对应相连，在转子另一端用两个端环分别将两层鼠笼导条短接。本发明的双定子无刷双馈电机具有极好的适应性，既可以设计为变速恒频发电机，也可以设计为恒频调速电动机。该电机结构简单紧凑，功率密度高。没有电刷滑环，因此，可靠性高，运行、维护成本低。

Description

双定子无刷双馈电机

技术领域

本发明属于电机及其控制技术领域，涉及一种双馈变速恒频发电机/电动机。

背景技术

随着全社会对能源和环境问题的持续关注，可再生能源的开发利用正呈现出加速发展的趋势。风能在地球上广泛存在并且是目前为人们所掌握的最为成熟的可再生能源之一。风力发电机是风力发电系统中将机械能转化为电能的装置，其性能直接影响着输出电能的质量和转换效率。

目前，世界上流行的大功率风力发电系统使用的发电机主要有以下几种类型：

一、双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电系统中使用齿轮箱将较低的风机转速变换到较高的发电机运行速度，可连续变速运行，风能转换率高。功率变换器为部分功率变换器（约为全部功率的三分之一），因而变换器成本相对较低。其缺点是电机带有电刷和滑环，使得可靠性下降，制造和维护成本增加。另外，齿轮箱的存在增大了系统体积，也使系统可靠性进一步降低。

二、直驱式同步发电机

直驱式同步发电机由风机直接驱动，因而不需要齿轮箱，一定程度上提高了整个系统的可靠性。直驱式同步发电机包括电磁式和永磁式。直驱式电励磁同步发电机由外部励磁电源供电，因而仍然带有电刷和滑环。直驱式永磁同步发电机由永久磁钢励磁，取消了电刷和滑环。两种电机均运行于较低转速，使电机极数增多，体积变大。同时，直驱式同步发电系统均使用全功率变换器，因而变换器成本较高。另外，可能的永磁体退磁也是直驱式永磁同步发电机面临的一个问题。

三、无刷双馈电机

无刷双馈电机定子侧有两套极对数不同的独立绕组，转子采用自行闭合的环路结构，两套定子绕组在电路和磁路上完全解耦，取消了电刷和滑环，可靠性提高。使用部分功率变换器，变换器成本较低。无刷双馈电机按照是否共用定子铁心可分为轴向级联式和共用定子铁心式。轴向级联式无刷双馈电机由两台异步电机轴向级联而成，一台为功率机，另一台为控制机，由于绕组端部的存在使得轴向级联的两个定子之间必须留有一定的间距，公共转子利用率低，系统占用空间大，功率密度偏低。共用定子铁心式无刷双馈电机只有一个定子铁心，上面安放两套极对数不同的绕组，一套为功率绕组，另一套为控制绕组，绕组结构复杂，槽利用率偏低，而且两套绕组间存在直接的磁耦合。同时，使用的鼠笼转子结构特殊，需专门设计。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种可提高系统可靠性和空间利用率的双定子无刷双馈电机。 

技术方案：本发明的双定子无刷双馈电机包括双向整流逆变器、端盖、转轴、内定子、环绕所述内定子的转子、环绕转子的外定子，转轴与端盖之间通过轴承连接，转子的一端与转轴连接，两个定子与转子之间均设置有气隙；外定子包括外定子铁心和设置在所述外定子铁心上极数为2p的外定子绕组，内定子包括内定子铁心和设置在所述内定子铁心上极数为2q的内定子绕组，所述p和q分别为正整数，且p和q不相等；外定子绕组的三相引出线与电网或主电源相连；内定子绕组的三相引出线与所述双向整流逆变器连接；转子上设置有双层鼠笼结构的绕组，两层鼠笼绕组之间连接。

本发明中，转子包括圆桶状的机械支撑，机械支撑的桶壁内、外侧分别设置有内层铁心和外层铁心，内层铁心上设置有内层鼠笼，外层铁心上设置有外层鼠笼；内层鼠笼包括沿内层铁心周向排列、平行于轴向的内导条，所述外层鼠笼包括沿外层鼠笼周向排列、平行于轴向且与所述内导条对应设置的外导条，内导条与所对应的外导条在转子的一端连接；在转子的另一端设置有内端环和外端环，所述内端环与内导条连接，所述外端环与外导条连接。

本发明中，外定子绕组和内定子绕组均为多相对称定子绕组。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有以下优点：

该无刷双馈电机保留了直驱式同步发电机、双馈异步风力发电机的优点，取消了电刷和滑环，提高了系统可靠性，降低了维护成本。流经功率变换器的电功率为控制绕组功率，类比普通双馈异步发电机可知，功率变换器容量较小，约为电机全部功率的1/3，因而功率变换器成本低。

与级联式无刷双馈电机相比，由于采用外定子和内定子同心布置的双定子结构，使得电机整体在输出功率相同的情况下，轴向长度约减小为原来的一半，因而结构更加紧凑，大大提高了电机的空间利用率和功率密度。

与共用定子铁心式无刷双馈电机相比，两定子间由杯形转子分隔，内外两层鼠笼在一端对应导条相连，使双层鼠笼之间只有电路连接。功率绕组产生的磁场与控制绕组产生的磁场仅通过转子间接耦合，消除了共用定子铁心时两定子磁场之间可能存在的直接耦合，便于控制。同时，转子使用类似普通感应电机的鼠笼结构，工艺成熟，制造简单，而共用定子铁心式无刷双馈电机的鼠笼绕组需要特殊设计以满足电磁性能的要求。

附图说明

图1为本发明的双定子无刷双馈风力发电机系统原理示意图；

图2为本发明的双定子无刷双馈电机的半剖示意图；

图3为本发明的双定子无刷双馈电机轴截面示意图；

图4为本发明的双定子无刷双馈电机外定子结构示意图；

图5为本发明的双定子无刷双馈电机内定子结构示意图；

图6为本发明的双定子无刷双馈电机鼠笼转子结构示意图，图中仅画出一半转子；

图7为本发明的双定子无刷双馈电机鼠笼转子轴截面示意图；

图8为本发明的双定子无刷双馈电机转子鼠笼结构示意图，图中仅画出二根导条；

图9为本发明的双定子无刷双馈电机转子机械支撑结构示意图，图中仅画出机械支撑的一半；

图10为发明的本双定子无刷双馈电机连接至电网作变速恒频发电机或电动机运行原理示意图。

图中有：1为外定子，2为内定子，3为转子，4为双向功率变换器，5为齿轮箱，6为风机风轮，7为端盖，8为轴承，9为转轴，10为滤波电感。11为外定子铁心，12为外定子绕组，13为外定子齿，14为外定子槽，21为内定子铁心，22为内定子绕组，23为内定子齿，24为内定子槽，31为转子内层铁心，32为转子外层铁心，33为外层鼠笼，34为转子机械支撑，35为内层鼠笼，331为外导条，351为内导条，332为外端环，352为内端环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的双定子无刷双馈电机包括双向整流逆变器4、端盖7、转轴9、内定子2、环绕所述内定子2的转子3、环绕转子3的外定子1，转轴9与端盖7之间通过轴承8连接，转子3的一端与转轴9连接，两个定子与转子3之间均设置有气隙；外定子1包括外定子铁心11和设置在所述外定子铁心11上极数为2p的外定子绕组12，内定子2包括内定子铁心21和设置在所述内定子铁心21上极数为2q的内定子绕组22，外定子绕组12和内定子绕组22均为多相对称定子绕组，p和q分别为正整数，且p和q不相等；外定子绕组11的三相引出线与电网或主电源相连；内定子绕组22的三相引出线与所述双向整流逆变器4连接；转子3上设置有双层鼠笼结构的绕组，两层鼠笼绕组之间连接。

转子3包括圆桶状的机械支撑34，机械支撑34的桶壁内、外侧分别设置有内层铁心31和外层铁心32，内层铁心31上设置有内层鼠笼35，外层铁心32上设置有外层鼠笼33；内层鼠笼35包括沿内层铁心31周向排列、平行于轴向的内导条351，所述外层鼠笼33包括沿外层鼠笼33周向排列、平行于轴向且与所述内导条351对应设置的外导条331，内导条351与所对应的外导条331在转子的一端连接；在转子的另一端设置有内端环352和外端环332，所述内端环352与内导条351连接，所述外端环332与外导条331连接。

图1为该双定子无刷双馈风力发电机系统，该电机包括双向整流逆变器4、端盖7、转轴9、内定子2、环绕所述内定子2的转子3、环绕转子3的外定子1。其中外定子1上有一套极数为2p的外定子绕组12，内定子2上有一套极数为2q的内定子绕组22，其中p和q分别为正整数。外定子绕组12为主功率绕组，与电网或主电源直接连接；内定子绕组22为控制绕组，通过双向功率变换器4与电网或外电路相连接。上述2p定子绕组12与2q定子绕组22均为多相对称定子绕组。

转子上设置有两层鼠笼结构的绕组，外导条331与内导条332数目相同，两层鼠笼的导条在转子的一端直接相连，在转子的另一端，外端环332将外层鼠笼的导条331连接，内端环352将内层鼠笼的导条351连接，外端环332与内端环352彼此独立。转子直接或通过齿轮箱5间接与风机风轮6建立机械连接。

图1中的齿轮箱5并不是该双定子无刷双馈风力发电系统所必需的。当风机风轮6与电机转子3通过齿轮箱5连接时，该系统为高速双馈风力发电系统；当风机风轮6与电机转子3直接相连时，该系统为低速直接驱动双馈风力发电系统。

该双定子无刷双馈电机按照磁通分布方向可分为径向和轴向磁通分布两种结构。径向磁通分布结构中磁通沿半径方向辐射，在垂直于轴的平面内形成磁通的闭合回路。轴向磁通分布结构中磁通与转轴平行，在平行于轴的平面内形成磁通的闭合回路。

如图2和图3所示，两个定子和转子沿径向布置，外定子1置于转子3外侧，内定子2置于转子3内侧，定子和转子的机械轴心重合。转子3的一端与转轴9连接，外定子1、转轴9与端盖7之间通过轴承8连接，两个定子与转子3之间均设置有气隙，定、转子间的气隙传递电磁转矩从而实现该电机发电或电动的功能。

如图4和图5所示，外定子1包括外定子铁心11和设置在外定子铁心11上极数为2p的外定子绕组12，内定子2包括内定子铁心21和设置在内定子铁心21上极数为2q的内定子绕组。定子铁心由基于双面绝缘电工钢片的定子冲片叠压而成，在面向转子的定子表面分别冲制均匀分布的齿槽。

定子齿的作用是导磁，槽的作用是安放绕组。外定子绕组为功率绕组，其电流和电压较高，与电网直接相连，作为双馈电机的第一个馈电端口。内定子绕组为控制绕组，其电压和电流较小，通过双向整流逆变器与电网间接相连，作为双馈电机的第二个馈电端口。

图6和图7为该双定子无刷双馈电机的转子3，包括圆桶状的机械支撑34、位于机械支撑34桶壁内、外侧的内层铁心31和外层铁心32、设置在内外层铁心上的内层鼠笼35和外层鼠笼33。铁心由基于双面绝缘电工钢片的转子冲片叠压而成，冲片上冲有均匀分布的孔，用于放置鼠笼导条。转子内层铁心31和外层铁心32固定于中间的机械支撑34上。

图8为鼠笼结构的一部分，内层鼠笼包括沿内层铁心31周向排列、平行于轴向的内导条351，外层鼠笼包括沿外层鼠笼33周向排列、平行于轴向且与内导条351对应设置的外导条331。内导条351与对应的外导条331在转子的一端连接，形成U形；在转子的另一端设置有内端环352和外端环332，内端环352与内导条351连接，外端环332与外导条331连接。双层鼠笼可等效为一个折叠的单层鼠笼。鼠笼可用导条焊接而成，也可以用铸铝的方法制造。

本无刷双馈电机的转速n_r与两定子绕组中电流的频率f_p和f_q满足关系：n_r=60(f_p±f_q)/(p+q)。当电网频率f_p固定时，调节内定子绕组中电流的频率f_q，就可实现该无刷双馈电机的变速运行。采用一定的控制方法，通过控制双向整流逆变器调节控制绕组中电流的频率、大小和相位，不仅可以产生恒频恒压的电能，而且可以实现有功功率和无功功率的灵活调节。

作为变速恒频发电机运行的控制方法，本发明的双定子无刷双馈电机中，外定子绕组直接与电网连接，内定子绕组通过整流逆变器与电网相连，当发电机输入轴转速变化时，通过整流逆变器控制2q极绕组电流的频率与幅值，使2p极功率绕组输出恒频恒压的交流电。

作为变速恒频电动机运行的控制方法，本发明的双定子无刷双馈电机中，外定子绕组直接与电网连接，内定子绕组通过整流逆变器与电网相连，通过整流逆变器调节控制绕组电流的频率与幅值，改变电动机的转速和转矩。

Claims (3)

1. 一种双定子无刷双馈电机，其特征在于，该电机包括双向整流逆变器（4）、端盖（7）、转轴（9）、内定子（2）、环绕所述内定子（2）的转子（3）、环绕所述转子（3）的外定子（1），所述转轴（9）与端盖（7）之间通过轴承（8）连接，转子（3）的一端与转轴（9）连接，所述的两个定子与转子（3）之间均设置有气隙；

所述外定子（1）包括外定子铁心（11）和设置在所述外定子铁心（11）上极数为2p的外定子绕组（12），所述内定子（2）包括内定子铁心（21）和设置在所述内定子铁心（21）上极数为2q的内定子绕组（22），所述p和q分别为正整数，且p和q不相等；所述外定子绕组（11）的三相引出线与电网或主电源相连；所述内定子绕组（22）的三相引出线与所述双向整流逆变器（4）连接；

所述转子（3）上设置有双层鼠笼结构的绕组，两层鼠笼绕组之间连接。

2. 根据权利要求1所述的双定子无刷双馈电机，其特征在于，所述的转子（3）包括圆桶状的机械支撑（34），所述机械支撑（34）的桶壁内、外侧分别设置有内层铁心（31）和外层铁心（32），所述内层铁心（31）上设置有内层鼠笼（35），所述外层铁心（32）上设置有外层鼠笼（33）；

所述内层鼠笼（35）包括沿内层铁心（31）周向排列、平行于轴向的内导条（351），所述外层鼠笼（33）包括沿外层鼠笼（33）周向排列、平行于轴向且与所述内导条（351）对应设置的外导条（331），内导条（351）与所对应的外导条（331）在转子的一端连接；在转子的另一端设置有内端环（352）和外端环（332），所述内端环（352）与内导条（351）连接，所述外端环（332）与外导条（331）连接。

3. 根据权利要求1所述的双定子无刷双馈电机，其特征在于，所述的外定子绕组（12）和内定子绕组（22）均为多相对称定子绕组。

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