无刷双馈电机的转子结构及其应用前景

摘 要： 无刷双馈电机在风力发电和交流调速领域具有广阔的应用前景。转子是无刷双馈电机进行磁场调制的“极数转换器”，转子结构的优良决定着该类型电机的推广应用，分析无刷双馈电机的基本原理之后，重点对不同类型转子的特点和应用前景进行分析。

关键词： 无刷双馈电机；转子结构；有限元分析；应用前景

中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220024－02

0 前言

目前工农业生产中主要应用的电机类型为异步电机和同步电机，笼型异步电机结构简单，运行可靠，但其调速能力较差；另一种异步电机是绕线型，其特点为可实现串级调速，可以实现双馈运行，但固有的电刷滑环结构，限制了其在恶劣环境中使用的可行性；同步发电机较多的适用于火力发电，但对于风力发电这样的环境，同步电机又具有一定的局限性。

无刷双馈电机一种新型的异、同步电机，该电机具有变频器容量小、功率因数可控、无刷耐用和转子结构简单等优势，经过几十年的发展，在变速恒频风力发电和交流调速系统中有着潜在应用前景，是一种极具研究价值和应用潜力的交流电机。

目前，学者们对无刷双馈电机的研究已经对工作原理、等效电路和运行特性进行了深入细致的分析，对该电机的应用背景进行了全面研究[1-4]。但是，无刷双馈电机现在仍然处于理论研究和实验室的应用基础研究阶段，还为能产业化，其根本原因在于起机电能量交换的转子结构，因为磁场调制效果不能达到理想效果导致了电机的磁场转换能力弱，从而导致了电机的效率较低，发热量与同容量异步电机相比，还有差距，因此，寻求高性能转子结构，已经成为近几年学者们研究的热点问题之一，亦是该电机推广应用的瓶颈问题。

本文在陈述了该类型电机运行原理之后，对常见笼型和磁阻类转子无刷双馈电机的磁场转换能力近了理论推导，

1 无刷双馈电机的结构和运行原理

无刷双馈电机定子上嵌有两套不同极数的三相对称绕组，极数为

的功率绕组，运行时直接与电网相连，极数为 的控制绕组，运行时通过双向变频器与电网相连。两个极对数与转子极对数 的关系如下：

（1）

两套不同极数的定子绕组，所产生的不同极数的两个磁场共同存在于同一铁心中，依赖于特殊转子的磁场调制作用，完成机电能量交换。功率绕组和控制绕组的作用相当于传统的绕线式异步电机的定子和转子绕组，其结构形式见图1所示。

无刷双馈电机具有多种运行方式[8-9]，包含异步运行方式，同步运行方式和双馈运行方式等。双馈运行方式下，转子转速、频率和极数的关系，满足以下表达式：

这里 和 分别是定子功率绕组和控制绕组的电流频率。“+”“-”分别表示两定子绕组的电流为同相序和反相序。当风速改变时，由式子（2），通过调节控制绕组的频率，可以保证功率绕组的频率为50Hz，起到了变速恒频发电的目的。因此，无刷双馈电机特别适用于变速恒频风力发电机系统。

2 无刷双馈电机的转子结构

两套定子绕组的极数不同，因此转子在机电能量交换中起着“极数转换器”的作用，常见的无刷双馈电机的转子形式主要有三类：笼型、磁阻型和混合转子。

笼型转子根据笼条的层数分为两类，一种为单层笼型转子[4]，另一类为双层短路笼型[1]，图1所示为单层笼型转子结构图，图2为双层笼型转子结构图，相对于单层笼型转子，双层笼型转子绕组绕组连接和分配给自由，能够产生更大的转子磁动势，进一步提高气隙磁密和输出转矩，因此，笼型转子的双层设计方式是笼型类转子的发展趋势之一。

论文作者的前期研究已经证明，磁阻类转子[4]（见图4所示）相对于笼型转子而言，磁场调制效果更加明显。而且磁阻转子绕组没有导电材料，因而不会产生铜损耗，所以，磁阻转子即减少了铜耗，而且还能够增大输出转矩。因此，磁阻转子近年来发展迅速。但是，笼型转子也有其他方面的优势，比如笼型转子电机比磁阻转子电机起动性能要好，而且笼型转子的潜入同步运行的能力要强。

为了更好地发挥磁阻类转子和笼型转子的综合优势，设计出了混合型转子类型，混合转子的结构图见图5（a）所示。混合转子是在磁阻转子的基础上，增加短路笼条，既发挥了磁阻转子磁场调制效率高的优势，也发挥了笼型转子易于起动和快速潜入同步运行的特性，因此，混合转子的提出和应用，将加速无刷双馈电机的推广应用的速度。

对混合转子结构无刷双馈电机进行有限元分析，得到了双馈运行时空载磁力线分布见图5（b）所示，可以看出，该转子的磁场调制作用效果较好。图6给出了上述情况下气隙磁密分布图，图7给出了气隙磁密各谐波频谱图。可以看出有用谐波1次和3次所占比重最大，而这两个谐波是起机电能量交换的有用谐波。

3 结论

在分析了无刷双馈电机原理的基础上，对不同类型的转子结构进行了探讨，对他们的各自的优缺点进行了说明，并提出了新型混合转子结构，通过对混合转子无刷双馈电机进行有限元分析，研究并得出了该转子具有优良的磁场转换能力，是一种新型的具有应用潜力的转子结构形式。

参考文献：

[1]P J Tavner, R A MMahon, P Roberts, etc, Rotor Design & Performance for a BDFM,Greece,September,2006,pp:439-443.

[2]Richard McMahon, Peter Tavner, Ehsan Abdi, Paul Malliband and Darren Barkerd, Characterising Rotors for Brushless Doubly-Fed Machines (BDFG), ICEM 2010,pp.1-6, 2010.

[3]Huijuan Liu, Longya Xu, Performance analysis of a doubly excited brushless machine for variable speed application, ICEMS2011, 2011.

[4]张凤阁，磁场调制式无刷双馈电机的基础理论研究，沈阳：沈阳工业大学，1999.