定频双转子发电机的分数槽绕组选择和设计

王敏希，张建忠，程 明

(东南大学，江苏南京210096)

0引 言

能源紧缺和环境污染是人类面临的两大重要问题，大力发展清洁可再生能源成为世界能源实现可持续发展的重要战略措施。风力发电是新能源技术中最为成熟、最具商业化前景的方式之一。随着电气无级变速器(EVT)［1］、四象限能量变换器 4QT［2］以及双机械端口(DMP)电机［3-4］等概念的提出，双转子永磁电机凭借其效率高、功率密度高等优点成为研究的热点。

在风力发电领域，文献［5］提出了一种定频双转子发电机，它可被视为永磁化双馈异步电机。应用该发电机的变速恒频发电系统结合了目前国际上占主导地位的双馈变速恒频发电系统和永磁直驱变速恒频发电系统两者的优点［6-7］，该系统去除了机械增速齿轮箱，与双馈变速恒频发电系统相同，只需部分功率变换器控制内转子绕组电流，便可实现变速恒频发电，定子绕组通过级联功率变换器直接并网，级联功率变换器可提供发电机的阻尼，克服了永磁直驱变速恒频发电系统中永磁发电机转子无法安装阻尼绕组的缺点，提高并网运行性能，有利于功率因数调节，降低发电机起动合闸冲击电流、电网故障以及各种扰动引起的瞬态电流，优化系统电能质量。

但是定频双转子发电机作为永磁电机的一种，它存在空载反电势谐波含量高和定位力矩大等缺点。空载反电势中的谐波会使电机的损耗增加，效率下降，温升升高，影响电机的运行性能。定频双转子电机的定子直接接入电网，其反电势谐波还会对电网造成影响。定位力矩是由外转子表面的永磁磁钢和定子、内转子齿槽相互作用而形成的，它的存在将会使电机产生振动和噪声。因此，电机设计时，应尽量减小空载反电势谐波含量，特别是定子空载反电势的谐波含量以及定位力矩。

本文将设计不同槽数的定频双转子发电机，并研究不同设计方案对空载反电势谐波含量以及定位力矩的影响，最后选出空载反电势谐波含量和定位力矩都比较小的设计方案。

1电机基本结构和原理

如图1所示，定频双转子发电机主要由定子、外转子以及内转子三部分组成，定子和内转子分别装有三相对称绕组，外转子为永磁式转子，位于定子和内转子中间，其内外表面贴有平行充磁的永磁磁钢。风机通过转轴带动内转子旋转，内转子绕组接半功率变换器，通过其控制内转子电流，使得内气隙磁场恒定，从而使外转子保持恒定速度旋转，实现定子的变速恒频发电［5］。

图1 定频双转子发电机截面图

本文主要设计五种槽数不同的定频双转子永磁发电机，分别是内转子/定子槽数为18/18、24/24、30/30、36/36以及42/42的双转子电机。五种方案的共同点在于:电机极对数都为4，电机尺寸(除槽外)相同。采用有限元法对五种发电机设计方案进行建模和分析，以获得电机空载反电势谐波含量和定位力矩都较小的方案。电机主要尺寸如表1所示。

表1 电机的主要尺寸

2分数槽概念

定频双转子发电机的内转子和定子安装有三相电枢绕组，根据每极每相槽数q值可将电机分为整数槽和分数槽，当q为整数时即为整数槽，q为分数时即为分数槽［8-11］。

整数槽电机以一对极为一个周期，而分数槽电机则不同。假设电机的槽数和极对数的公约数为t，电机槽数Z可以表示为Z=Z0t，电机极对数p可以表示为p=p0t，则每极每相槽数q可以表示:

分析此表达式可知，分数槽电机以p0对极为一个周期。为了方便分析，可以把p0对磁极所对应的部分看成虚拟单元电机，一台电机由t个虚拟单元电机组成。

每极每相槽数q可以改写成以下形式:

式中:c、d为无公因数。

三相定频双转子发电机的单元电机数和单元电机槽数可表达如下:

单元电机数:

单元电机槽数:

电机的绕组循环数序由d个数组成，其中c个数为(b+1)，(d-c)个数为b。(b+1)及b交错均匀排列就构成循环组。

绕组因数反映了绕组因采用短距和分布结构而使其相电势减小的程度，分数槽绕组因数［12］推导如下:

绕组因数:Kdp=KdKp

3定频双转子发电机的绕组设计

本文主要针对定频双转子发电机设计了五种绕组排列方案，其中内转子/定子槽数为24/24的电机是整数槽电机，其他四种方案为每极每相槽数q值不同的分数槽电机。

3．1 18/18 槽电机

18/18槽电机每极每相槽数q=3/4，为分数槽绕组。取其绕组节距为2，计算得其单元电机数为2，单元电机槽数为9，绕组循环数为1 110，其单相绕组排列方式如图2所示［13］。

图中，实线表示绕组放置在该槽上层，虚线表示绕组放置在该槽下层。

图2 18/18槽电机绕组分布图

图3表示18/18槽电机最优的定子和内转子三相空载反电势，图中定子空载反电势谐波含量为5．12%，内转子空载反电势谐波含量为7．71%。

图3 18/18槽电机空载反电势

3．2 24/24 槽电机

24/24槽电机每极每相槽数q=1，为整数槽绕组。取其绕组节距为3，绕组的排列方式如图4所示。其中，实线表示绕组放置在该槽上层，虚线表示绕组放置在该槽下层。

图4 24/24槽电机绕组分布图

图5表示24/24槽电机最优的定子和内转子三相空载反电势，其中定子空载反电势谐波含量为26．01%，内转子空载反电势谐波含量为21．98%。

图5 24/24槽电机空载反电势

3．3 30/30 槽电机

30/30槽电机每极每相槽数q=5/4，为分数槽绕组。取其绕组节距为3，计算得其单元电机数为2，单元电机槽数为15，绕组循环数为2111，绕组因数为0．956 7，其绕组排列方式如图6所示。图中，实线表示绕组放置在该槽上层，虚线表示绕组放置在该槽下层。

图6 30/30槽电机绕组分布图

图7表示30/30槽电机最优的定子和内转子三相空载反电势，其中定子空载反电势谐波含量为2．40%，内转子空载反电势谐波含量为5．07%。

图7 30/30槽电机空载反电势

3．4 36/36 槽电机

36/36槽电机每极每相槽数q=3/2，为分数槽绕组。取其绕组节距为4，计算得其单元电机数为4，单元电机槽数为9，绕组循环数为12，绕组因数为0．959 8，其绕组排列方式如图8所示。图中，实线表示绕组放置在该槽上层，虚线表示绕组放置在该槽下层。

图8 36/36槽电机绕组分布图

图9表示36/36槽电机最优的定子和内转子三相空载反电势，其中定子空载反电势谐波含量为5．74%，内转子空载反电势谐波含量为5．68%。

图9 36/36槽电机空载反电势

3．5 42/42 槽电机

42/42槽电机每极每相槽数q=7/4，为分数槽绕组。取其绕组节距为5，计算得其单元电机数为2，单元电机槽数为21，绕组循环数为2 221，绕组因数为0．955 8，其绕组排列方式如图10所示。其中，实线表示绕组放置在该槽上层，虚线表示绕组放置在该槽下层。

图10 42/42槽电机绕组分布图

图11表示42/42槽电机最优的定子和内转子三相空载反电势，其中定子空载反电势谐波含量为4．51%，内转子空载反电势谐波含量为4．16%。

图11 42/42槽电机空载反电势

3．6结果分析与实验验证

基于以上分析，图12给出了不同槽数定频双转子电机经优化后其空载反电势谐波含量和定位力矩峰峰值的比较。

从图中可明显看出，相对于定子/内转子槽数为24/24的整数槽电机而言，分数槽电机的空载反电势谐波含量和定位力矩峰峰值明显要低很多。另外，每极每相下槽数q值不同的分数槽对空载反电势谐波含量和定位力矩的影响也不同。定子/内转子采用30/30的分数槽时，其空载反电势谐波含量和定位力矩峰峰值均较低。因此，定子/内转子槽数为30/30的定频双转子电机是五个方案中的最佳方案。

图12 空载反电势谐波含量和定位力矩比较

按照上述最佳方案制造样机如图13所示。为了进一步减小电机空载反电势谐波含量和定位力矩，样机采用斜槽的方式［14］，其定子和内转子槽在同一方向上斜12°。

样机的定子和内转子空载反电势实测波形如图14所示。与图7理论空载反电势波形相比，两者形状相同，幅值接近。表2给出了空载反电势谐波含量和定位力矩理论值和实测值的比较，从表中可以看出，理论和实测的空载反电势谐波含量基本一致。

图14 空载反电势波形

表2 理论分析和实验结果的比较

4结 语

本文主要设计了内转子/定子槽数为18/18、24/24、30/30、36/36和42/42五种绕组结构的定频双转子电机，通过分析和计算证明分数槽的反电势谐波含量和定位力矩比整数槽明显低很多，每极每相下槽数q值不同的分数槽对空载反电势谐波含量和定位力矩的影响也不同，内转子/定子槽数为30/30的电机其空载反电势谐波含量和定位力矩都比较小。因此，对于本文要求设计的定频双转子发电机而言，内转子/定子采用30/30槽组合是最佳选择。

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