定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機的分?jǐn)?shù)槽繞組選擇和設(shè)計

王敏希，張建忠，程 明

(東南大學(xué)，江蘇南京210096)

0引 言

能源緊缺和環(huán)境污染是人類面臨的兩大重要問題，大力發(fā)展清潔可再生能源成為世界能源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略措施。風(fēng)力發(fā)電是新能源技術(shù)中最為成熟、最具商業(yè)化前景的方式之一。隨著電氣無級變速器(EVT)［1］、四象限能量變換器 4QT［2］以及雙機械端口(DMP)電機［3-4］等概念的提出，雙轉(zhuǎn)子永磁電機憑借其效率高、功率密度高等優(yōu)點成為研究的熱點。

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，文獻［5］提出了一種定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機，它可被視為永磁化雙饋異步電機。應(yīng)用該發(fā)電機的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合了目前國際上占主導(dǎo)地位的雙饋變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)兩者的優(yōu)點［6-7］，該系統(tǒng)去除了機械增速齒輪箱，與雙饋變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)相同，只需部分功率變換器控制內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組電流，便可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，定子繞組通過級聯(lián)功率變換器直接并網(wǎng)，級聯(lián)功率變換器可提供發(fā)電機的阻尼，克服了永磁直驅(qū)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子無法安裝阻尼繞組的缺點，提高并網(wǎng)運行性能，有利于功率因數(shù)調(diào)節(jié)，降低發(fā)電機起動合閘沖擊電流、電網(wǎng)故障以及各種擾動引起的瞬態(tài)電流，優(yōu)化系統(tǒng)電能質(zhì)量。

但是定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機作為永磁電機的一種，它存在空載反電勢諧波含量高和定位力矩大等缺點?？蛰d反電勢中的諧波會使電機的損耗增加，效率下降，溫升升高，影響電機的運行性能。定頻雙轉(zhuǎn)子電機的定子直接接入電網(wǎng)，其反電勢諧波還會對電網(wǎng)造成影響。定位力矩是由外轉(zhuǎn)子表面的永磁磁鋼和定子、內(nèi)轉(zhuǎn)子齒槽相互作用而形成的，它的存在將會使電機產(chǎn)生振動和噪聲。因此，電機設(shè)計時，應(yīng)盡量減小空載反電勢諧波含量，特別是定子空載反電勢的諧波含量以及定位力矩。

本文將設(shè)計不同槽數(shù)的定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機，并研究不同設(shè)計方案對空載反電勢諧波含量以及定位力矩的影響，最后選出空載反電勢諧波含量和定位力矩都比較小的設(shè)計方案。

1電機基本結(jié)構(gòu)和原理

如圖1所示，定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機主要由定子、外轉(zhuǎn)子以及內(nèi)轉(zhuǎn)子三部分組成，定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子分別裝有三相對稱繞組，外轉(zhuǎn)子為永磁式轉(zhuǎn)子，位于定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子中間，其內(nèi)外表面貼有平行充磁的永磁磁鋼。風(fēng)機通過轉(zhuǎn)軸帶動內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組接半功率變換器，通過其控制內(nèi)轉(zhuǎn)子電流，使得內(nèi)氣隙磁場恒定，從而使外轉(zhuǎn)子保持恒定速度旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)定子的變速恒頻發(fā)電［5］。

圖1 定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機截面圖

本文主要設(shè)計五種槽數(shù)不同的定頻雙轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機，分別是內(nèi)轉(zhuǎn)子/定子槽數(shù)為18/18、24/24、30/30、36/36以及42/42的雙轉(zhuǎn)子電機。五種方案的共同點在于:電機極對數(shù)都為4，電機尺寸(除槽外)相同。采用有限元法對五種發(fā)電機設(shè)計方案進行建模和分析，以獲得電機空載反電勢諧波含量和定位力矩都較小的方案。電機主要尺寸如表1所示。

表1 電機的主要尺寸

2分?jǐn)?shù)槽概念

定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子安裝有三相電樞繞組，根據(jù)每極每相槽數(shù)q值可將電機分為整數(shù)槽和分?jǐn)?shù)槽，當(dāng)q為整數(shù)時即為整數(shù)槽，q為分?jǐn)?shù)時即為分?jǐn)?shù)槽［8-11］。

整數(shù)槽電機以一對極為一個周期，而分?jǐn)?shù)槽電機則不同。假設(shè)電機的槽數(shù)和極對數(shù)的公約數(shù)為t，電機槽數(shù)Z可以表示為Z=Z0t，電機極對數(shù)p可以表示為p=p0t，則每極每相槽數(shù)q可以表示:

分析此表達式可知，分?jǐn)?shù)槽電機以p0對極為一個周期。為了方便分析，可以把p0對磁極所對應(yīng)的部分看成虛擬單元電機，一臺電機由t個虛擬單元電機組成。

每極每相槽數(shù)q可以改寫成以下形式:

式中:c、d為無公因數(shù)。

三相定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機的單元電機數(shù)和單元電機槽數(shù)可表達如下:

單元電機數(shù):

單元電機槽數(shù):

電機的繞組循環(huán)數(shù)序由d個數(shù)組成，其中c個數(shù)為(b+1)，(d-c)個數(shù)為b。(b+1)及b交錯均勻排列就構(gòu)成循環(huán)組。

繞組因數(shù)反映了繞組因采用短距和分布結(jié)構(gòu)而使其相電勢減小的程度，分?jǐn)?shù)槽繞組因數(shù)［12］推導(dǎo)如下:

繞組因數(shù):Kdp=KdKp

3定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機的繞組設(shè)計

本文主要針對定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機設(shè)計了五種繞組排列方案，其中內(nèi)轉(zhuǎn)子/定子槽數(shù)為24/24的電機是整數(shù)槽電機，其他四種方案為每極每相槽數(shù)q值不同的分?jǐn)?shù)槽電機。

3．1 18/18 槽電機

18/18槽電機每極每相槽數(shù)q=3/4，為分?jǐn)?shù)槽繞組。取其繞組節(jié)距為2，計算得其單元電機數(shù)為2，單元電機槽數(shù)為9，繞組循環(huán)數(shù)為1 110，其單相繞組排列方式如圖2所示［13］。

圖中，實線表示繞組放置在該槽上層，虛線表示繞組放置在該槽下層。

圖2 18/18槽電機繞組分布圖

圖3表示18/18槽電機最優(yōu)的定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子三相空載反電勢，圖中定子空載反電勢諧波含量為5．12%，內(nèi)轉(zhuǎn)子空載反電勢諧波含量為7．71%。

圖3 18/18槽電機空載反電勢

3．2 24/24 槽電機

24/24槽電機每極每相槽數(shù)q=1，為整數(shù)槽繞組。取其繞組節(jié)距為3，繞組的排列方式如圖4所示。其中，實線表示繞組放置在該槽上層，虛線表示繞組放置在該槽下層。

圖4 24/24槽電機繞組分布圖

圖5表示24/24槽電機最優(yōu)的定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子三相空載反電勢，其中定子空載反電勢諧波含量為26．01%，內(nèi)轉(zhuǎn)子空載反電勢諧波含量為21．98%。

圖5 24/24槽電機空載反電勢

3．3 30/30 槽電機

30/30槽電機每極每相槽數(shù)q=5/4，為分?jǐn)?shù)槽繞組。取其繞組節(jié)距為3，計算得其單元電機數(shù)為2，單元電機槽數(shù)為15，繞組循環(huán)數(shù)為2111，繞組因數(shù)為0．956 7，其繞組排列方式如圖6所示。圖中，實線表示繞組放置在該槽上層，虛線表示繞組放置在該槽下層。

圖6 30/30槽電機繞組分布圖

圖7表示30/30槽電機最優(yōu)的定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子三相空載反電勢，其中定子空載反電勢諧波含量為2．40%，內(nèi)轉(zhuǎn)子空載反電勢諧波含量為5．07%。

圖7 30/30槽電機空載反電勢

3．4 36/36 槽電機

36/36槽電機每極每相槽數(shù)q=3/2，為分?jǐn)?shù)槽繞組。取其繞組節(jié)距為4，計算得其單元電機數(shù)為4，單元電機槽數(shù)為9，繞組循環(huán)數(shù)為12，繞組因數(shù)為0．959 8，其繞組排列方式如圖8所示。圖中，實線表示繞組放置在該槽上層，虛線表示繞組放置在該槽下層。

圖8 36/36槽電機繞組分布圖

圖9表示36/36槽電機最優(yōu)的定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子三相空載反電勢，其中定子空載反電勢諧波含量為5．74%，內(nèi)轉(zhuǎn)子空載反電勢諧波含量為5．68%。

圖9 36/36槽電機空載反電勢

3．5 42/42 槽電機

42/42槽電機每極每相槽數(shù)q=7/4，為分?jǐn)?shù)槽繞組。取其繞組節(jié)距為5，計算得其單元電機數(shù)為2，單元電機槽數(shù)為21，繞組循環(huán)數(shù)為2 221，繞組因數(shù)為0．955 8，其繞組排列方式如圖10所示。其中，實線表示繞組放置在該槽上層，虛線表示繞組放置在該槽下層。

圖10 42/42槽電機繞組分布圖

圖11表示42/42槽電機最優(yōu)的定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子三相空載反電勢，其中定子空載反電勢諧波含量為4．51%，內(nèi)轉(zhuǎn)子空載反電勢諧波含量為4．16%。

圖11 42/42槽電機空載反電勢

3．6結(jié)果分析與實驗驗證

基于以上分析，圖12給出了不同槽數(shù)定頻雙轉(zhuǎn)子電機經(jīng)優(yōu)化后其空載反電勢諧波含量和定位力矩峰峰值的比較。

從圖中可明顯看出，相對于定子/內(nèi)轉(zhuǎn)子槽數(shù)為24/24的整數(shù)槽電機而言，分?jǐn)?shù)槽電機的空載反電勢諧波含量和定位力矩峰峰值明顯要低很多。另外，每極每相下槽數(shù)q值不同的分?jǐn)?shù)槽對空載反電勢諧波含量和定位力矩的影響也不同。定子/內(nèi)轉(zhuǎn)子采用30/30的分?jǐn)?shù)槽時，其空載反電勢諧波含量和定位力矩峰峰值均較低。因此，定子/內(nèi)轉(zhuǎn)子槽數(shù)為30/30的定頻雙轉(zhuǎn)子電機是五個方案中的最佳方案。

圖12 空載反電勢諧波含量和定位力矩比較

按照上述最佳方案制造樣機如圖13所示。為了進一步減小電機空載反電勢諧波含量和定位力矩，樣機采用斜槽的方式［14］，其定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子槽在同一方向上斜12°。

樣機的定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子空載反電勢實測波形如圖14所示。與圖7理論空載反電勢波形相比，兩者形狀相同，幅值接近。表2給出了空載反電勢諧波含量和定位力矩理論值和實測值的比較，從表中可以看出，理論和實測的空載反電勢諧波含量基本一致。

圖14 空載反電勢波形

表2 理論分析和實驗結(jié)果的比較

4結(jié) 語

本文主要設(shè)計了內(nèi)轉(zhuǎn)子/定子槽數(shù)為18/18、24/24、30/30、36/36和42/42五種繞組結(jié)構(gòu)的定頻雙轉(zhuǎn)子電機，通過分析和計算證明分?jǐn)?shù)槽的反電勢諧波含量和定位力矩比整數(shù)槽明顯低很多，每極每相下槽數(shù)q值不同的分?jǐn)?shù)槽對空載反電勢諧波含量和定位力矩的影響也不同，內(nèi)轉(zhuǎn)子/定子槽數(shù)為30/30的電機其空載反電勢諧波含量和定位力矩都比較小。因此，對于本文要求設(shè)計的定頻雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機而言，內(nèi)轉(zhuǎn)子/定子采用30/30槽組合是最佳選擇。

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