双馈感应电机转子双极对数运行的磁场调制环设计方法与流程

本发明涉及一种实现双馈感应电机转子双极对数运行的磁场调制环设计方法，属于电气传动应用技术领域。

背景技术：

磁场调制的工作原理以磁调制环引起气隙磁导的变化为基础，实现了电机不同极对数绕组之间的磁场耦合和功率传递，常用基本结构如图1所示。基于此原理，永磁齿轮实现了原动轴和从动轴之间的非接触式转速变换和转矩变换。此外，已有研究成果实现了将基于磁场调制的永磁齿轮集成于电机中，实现了电机的“减速式”运行。磁场调制环的结构设计是实现磁场调制、磁场极对数变化的关键因素。若双馈感应电机气隙中圆周方向呈现正弦分布的P_i对极气隙磁动势经过如图1所示磁场调制环，在忽略磁场调制环圆周方向高次谐波磁导的条件下，若磁场调制环的调制块数为N，则磁通包括P_i对极、N-P_i对极和N+P_i对极。其中，N-P_i对极和N+P_i对极的磁场旋转方向相反。

目前磁场调制环设计多包含如下特点：

1)基本结构如图1所示，采用块状调制块在圆周方向上的等占空比分布。采用此方法实现的交流基波磁导周期即为磁导经过一个圆周的正弦交变次数。

2)若某一绕组极对数为P_i,另一绕组极对数为P_o，假定P_i<P_o，则调制块数N应设计为N＝P_o-P_i或N＝P_o+P_i。

3)若某一绕组极对数为P_i,另一绕组极对数为P_o，假定P_i<P_o：若调制块数N设计为N＝P_o-P_i，则极对数为P_i的磁场经磁场调制后的磁通包括P_i对极、P_o对极和N-2P_i对极。考虑到电机极槽设计的限制，仅可通过磁场调制后的P_o对极磁场实现功率传递；若调制块数N设计为N＝P_o+P_i，则极对数为P_i的磁场经磁场调制后的磁通包括P_i对极、P_o对极和N+2P_i对极。考虑到电机极槽设计的限制，仅可通过磁场调制后的P_o对极磁场实现功率传递。

技术实现要素：

本发明公开了一种在交流励磁感应电机中实现双极对数磁场调制环的设计方法。本发明以定转子极对数为基础，在设定磁场调制环调制块厚度上限的条件下，通过磁场调制环在圆周方向上的两类磁导并联设计，提出了一种磁场调制环的形状确定方法。本发明实现了某极对数为P_i的磁场经过磁场调制后，同时产生极对数为P_o和2P_o的磁场，且磁场旋转方向相同。本发明突破了电机极槽设计的限制，为双馈感应电机在单个转子上实现极对数为P_o和2P_o的双绕组设计提供了技术可行性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种实现双馈感应电机转子双极对数运行的磁场调制环设计方法，其特征是，磁场调制环为环形块，位于电机截面轴线偏转角度为θ且磁路截面面积为s的磁场调制环微元厚度l_Fe按以下步骤计算：

1)设双馈感应电机定子绕组的极对数为p_s，在电机转子槽数确定的条件下，设计两组转子绕组的极对数分别为p_r1和p_r2，且p_r2＝2p_r1；

2)根据电机定子极对数p_s和两组电机转子绕组极对数p_r1和p_r2，分别计算磁场调制环第一类、第二类磁导在电机气隙圆周方向的磁导交变次数N₁和N₂：

N₁＝p_s+p_r1 (式1a)

N₂＝p_s+p_r2 (式1b)

3)设磁场调制环的厚度上限为l，位于电机截面轴线偏转角度为θ且磁路截面面积为s的磁场调制环的微元磁导为：

式中，μ_Fe为磁场调制环的相对磁导率，μ_air为空气的相对磁导率；

由(式2)可得Λ(θ)的最大值Λ_max(θ)和最小值Λ_min(θ)分别为：

4)依据磁场调制环的磁导由两类磁导并联的原则，由第一类、第二类磁导并联所构成，位于电机截面轴线偏转角度为θ且磁路截面面积为s的磁场调制环的微元磁导目标函数为：

Λ_target(θ)＝M₀+M sin[(p_s+p_r1)θ]+M₀+M sin(p_s+p_r2)θ] (式4)

式中，M₀为第一类磁导和第二类磁导的直流分量幅值，M为第一类磁导和第二类磁导的交流分量幅值；

由(式4)可得：

Λ_target(θ)的最大值为：Λ_{target_max}(θ)＝2M₀+2M，

Λ_target(θ)的最小值为：Λ_{target_min}(θ)＝2M₀-2M；

5)以Λ_max(θ)和Λ_min(θ)作为约束条件，得：

联立(式5a)和(式5b)得:

6)将(式6a)和(式6b)所得M₀和M代入(式4)，并根据(式2)可得：

根据(式7)得位于电机截面轴线偏转角度为θ且磁路截面面积为s的磁场调制环微元厚度为：

环形的磁场调制环套设在双馈感应电机的定子上。

磁场调制环内表面为光滑面。

磁场调制环内表面与定子外壁相贴合。

由步骤6)计算出的微元厚度得到磁场调制环在圆周方向上不同位置的厚度，构成磁场调制环波浪起伏状的外表面。

磁场调制环为导磁材料。

本发明所达到的有益效果：

本发明通过双磁导设计，实现了两种磁导的双磁路并联。基于该设计方法，实现了某一绕组极对数为P_i的磁场经过磁场调制后，同时产生极对数为P_o和2P_o的磁场，且磁场旋转方向相同。在此基础上，在双馈感应电机的转子上设计极对数为P_o和2P_o的双绕组，可实现极对数为P_o和2P_o的转子绕组共同交流励磁、极对数为P_o的转子绕组单独交流励磁或极对数为2P_o的转子绕组单独交流励磁，显著拓宽了双馈发电机的速度控制范围。

附图说明

图1是常规磁场调制环原理图。

图2是本发明提出的磁场调制环磁导并联原理图。

图3是本发明提出的磁场调制环原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

符号定义：

μ_Fe 调制块的相对磁导率

μ_air 空气的相对磁导率

p_s 定子绕组极对数

p_r1 第一组转子绕组极对数

p_r2 第二组转子绕组极对数

N₁ 磁场调制环第一类磁导在电机气隙圆周方向的磁导交变次数

N₂ 磁场调制环第二类磁导在电机气隙圆周方向的磁导交变次数

θ 沿电机截面纵轴线的偏转角度

1)设计双馈感应电机定子绕组的极对数为p_s，在电机转子槽数确定的条件下，设计两组转子绕组的极对数分别为p_r1和p_r2，且p_r2＝2p_r1。

2)如图2和图3所示，依据磁场调制环的磁导由两类磁导并联的原则，根据电机定子极对数p_s和两组电机转子绕组极对数p_r1和p_r2，分别计算磁场调制环第一类、第二类磁导在电机气隙圆周方向的磁导交变次数N₁和N₂：

N₁＝p_s+p_r1 (式1a)

N₂＝p_s+p_r2 (式1b)

3)设磁场调制环的环形块厚度上限为l，位于电机截面轴线偏转角度为θ且磁路截面面积为s的磁场调制环的微元磁导为：

式中，l_Fe为电机截面轴线偏转角度为θ且磁路截面面积为s的磁场调制环微元厚度。

由(式2)可见Λ(θ)的最大值和最小值分别为：

4)依据磁场调制环的磁导由两类磁导并联的原则，由第一类、第二类磁导并联所构成，位于电机截面轴线偏转角度为θ且磁路截面面积为s的磁场调制环的微元磁导目标函数为：

Λ_target(θ)＝M₀+M sin[(p_s+p_r1)θ]+M₀+M sin(p_s+p_r2)θ] (式4)

式中，M₀为第一类磁导和第二类磁导的直流分量幅值，M为第一类磁导和第二类磁导的交流分量幅值。

由(式4)可知：Λ_target(θ)的最大值为Λ_{target_max}(θ)＝2M₀+2M，且Λ_target(θ)的最小值为Λ_{target_min}(θ)＝2M₀-2M。

5)以Λ_max(θ)和Λ_min(θ)作为约束条件，可得：

联立(式5a)和(式5b)可得:

6)将(式6a)和(式6b)所得M₀和M代入(式4)，并根据(式2)所示位于电机截面轴线偏转角度为θ且磁路截面面积为s的磁场调制环微元磁导表达式可得：

根据(式7)可得位于电机截面轴线偏转角度为θ且磁路截面面积为s的磁场调制环微元厚度为：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。