CN102545501A

CN102545501A - 一种轴向双定子无刷双馈电机

Info

Publication number: CN102545501A
Application number: CN2012100173124A
Authority: CN
Inventors: 程明; 韩鹏; 花为; 张建忠
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种轴向双定子无刷双馈电机，包括双向整流逆变器、端盖、转轴、设置在转轴上的转子、在转子的轴向两侧对称设置的左定子和右定子，转轴与端盖之间通过轴承连接，两个定子与转子之间均设置有气隙。本发明的轴向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

一种轴向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***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***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***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***体积，也使***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***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***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，***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***可靠性和空间利用率的轴向双定子无刷双馈电机。

技术方案：本发明的轴向双定子无刷双馈电机，包括双向整流逆变器、端盖、转轴、设置在转轴上的转子、在转子的轴向两侧对称设置的左定子和右定子，转轴与端盖之间通过轴承连接，两个定子与转子之间均设置有气隙；

左定子包括左定子铁心和设置在左定子铁心上极数为2p的左定子绕组，右定子包括右定子铁心和设置在右定子铁心上极数为2q的右定子绕组，p和q分别为正整数，且p和q不相等；左定子绕组的三相引出线与电网或主电源相连；右定子绕组的三相引出线与双向整流逆变器连接；

转子包括垂直于转轴轴向的圆盘状的机械支撑，机械支撑的两侧对称设置有圆环状的左铁心和右铁心，左铁心和右铁心的内环上分别设置有左铁心端环和右铁心端环，左铁心和右铁心的圆环上分别设置有周向均匀排列的径向的左铁心导条和右铁心导条，左铁心导条的一端与左铁心端环连接，右铁心导条的一端与右铁心端环连接，左铁心导条与右铁心导条在左铁心和右铁心的外环一侧连接。

本发明中，左定子绕组和右定子绕组均为多相对称定子绕组。

本发明的电磁结构可由多个基本单元组成，基本单元沿轴向级联。

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***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。

传统级联式无刷双馈电机采用轴向磁通结构时，沿半径方向有4个绕组端部，而本发明的轴向磁通结构轴向双定子无刷双馈电机，由于可以将两个定子同轴布置在转子的两侧，沿半径方向仅有2个绕组端部，减少了无效长度，因此空间利用率高，相同功率等级下，电机的轴向长度缩短，结构更加紧凑。此外，还可以沿轴向布置多个电机基本单元，提高电机容量，具有更大的灵活性。

与径向结构的无刷双馈双定子电机相比，其控制绕组不受径向结构中内定子空间有限的限制，其容量可设计成与功率绕组相同，因此，电机的可调速范围可明显增加。

与共用定子铁心式无刷双馈电机相比，两定子间由盘式转子分隔，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为本发明的轴向双定子无刷双馈风力发电机***原理图；

图2为本发明的轴向双定子无刷双馈电机全剖结构示意图；

图3为本发明的轴向双定子无刷双馈电机立体结构图；

图4为本发明的轴向双定子无刷双馈电机左定子铁心结构示意图；

图5为本发明的轴向双定子无刷双馈电机左定子轴截面示意图；

图6为本发明的轴向双定子无刷双馈电机右定子铁心结构示意图；

图7为本发明的轴向双定子无刷双馈电机右定子轴截面示意图；

图8为本发明的轴向双定子无刷双馈电机转子结构示意图；

图9为本发明的轴向双定子无刷双馈电机转子导条连接安装结构示意图；

图10为本发明的轴向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示意图。

图中有：1为左定子，2为右定子，3为转子，4为双向整流逆变器，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为左定子铁心，12为左定子绕组，13为左定子齿，14为左定子槽，21为右定子铁心，22为右定子绕组，23为右定子齿，24为右定子槽，31为转子机械支撑，32为左铁心，33为左铁心端环，34为左铁心导条，35为右铁心，36为右铁心端环，37为右铁心导条。

具体实施方式

图1为该双定子无刷双馈风力发电***，该电机包括双向整流逆变器4、端盖7、转轴9、设置在转轴9上的转子3、在转子3的轴向两侧对称设置的左定子1和右定子2。其中左定子1上有一套极数为2p的左定子绕组12，右定子2上有一套极数为2q的右定子绕组22，其中p和q分别为正整数。左定子绕组12为主功率绕组，与电网或主电源直接连接；右定子绕组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定子绕组均为多相对称定子绕组。转子3直接或通过齿轮箱5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***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***为高速双馈风力发电***；当风机风轮6与电机转子3直接相连时，该***为低速直接驱动双馈风力发电***。

本发明装置的磁通分布方向与转轴平行，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，两个定子和转子沿轴向布置，转子3置于左定子1和右定子2之间，定子和转子的机械轴心重合。转轴9与端盖7之间通过轴承8连接，转子3与转轴9连接，两个定子与转子3之间均设置有气隙，定转子间气隙传递电磁转矩从而实现该电机发电或电动运行。

如图4和图6所示，左定子1包括左定子铁心11和设置在所述左定子铁心11上极数为2p的左定子绕组12，右定子2包括右定子铁心21和设置在所述右定子铁心21上极数为2q的右定子绕组22。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8为本发明轴向双定子无刷双馈电机的转子3，转子3上包括垂直于转轴9轴向的圆盘状的机械支撑31，机械支撑31的两侧对称设置有圆环状的左铁心32和右铁心35，左铁心32和右铁心35的内环上分别设置有左铁心端环33和右铁心端环36。两个转子铁心由双面绝缘硅钢片卷绕而成，冲片上冲有均匀分布的孔，用于放置导条。

图9为转子导条安装结构图，左铁心32和右铁心35的圆环上，径向的左铁心导条34和右铁心导条37沿周向均匀排列，左铁心导条34的一端与左铁心端环33连接，右铁心导条37的一端与右铁心端环36连接，左铁心导条34与右铁心导条37在左铁心32和右铁心35的外环一侧连接。

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，本发明的轴向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，本发明的轴向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

1. 一种轴向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）、设置在所述转轴（9）上的转子（3）、在所述转子（3）的轴向两侧对称设置的左定子（1）和右定子（2），转轴（9）与端盖（7）之间通过轴承（8）连接，所述的两个定子与转子（3）之间均设置有气隙；

所述左定子（1）包括左定子铁心（11）和设置在所述左定子铁心（11）上极数为2p的左定子绕组（12），所述右定子（2）包括右定子铁心（21）和设置在所述右定子铁心（21）上极数为2q的右定子绕组（22），所述p和q分别为正整数，p和q不相等；所述左定子绕组（12）的三相引出线与电网或主电源相连，所述右定子绕组（22）的三相引出线与双向整流逆变器（4）相连；

所述的转子（3）包括垂直于转轴（9）轴向的圆盘状的机械支撑（31），所述机械支撑（31）的两侧对称设置有圆环状的左铁心（32）和右铁心（35），所述左铁心（32）和右铁心（35）的内环上分别设置有左铁心端环（33）和右铁心端环（36），在左铁心（32）和右铁心（35）的圆环上分别设置有周向均匀排列的径向的左铁心导条（34）和右铁心导条（37），所述左铁心导条（34）的一端与左铁心端环（33）连接，所述右铁心导条（37）的一端与右铁心端环（36）连接，左铁心导条（34）与右铁心导条（37）在左铁心（32）和右铁心（35）的外环一侧连接。

2. 根据权利要求1所述的轴向双定子无刷双馈电机，其特征在于，所述的左定子绕组（12）和右定子绕组（22）均为多相对称定子绕组。