无刷双馈电机混联式笼型转子结构及绕制方法与流程

本发明涉及无刷双馈电机，具体涉及无刷双馈电机用的混联式笼型转子结构及绕制方法，属于变频调速驱动领域和变速恒频发电领域。

背景技术：

无刷双馈电机(brushlessdoubly-fedmachine，bdfm)定子上一般嵌放有两套不同极数的独立三相对称绕组，其中与电网直接相连的称为功率绕组，与变频器相连的称为控制绕组。两套定子绕组产生不同极数的旋转磁场，通过转子实现电磁耦合，从而实现机电能量的转换。因此，转子结构的电磁耦合能力是决定bdfm运行性能、功率密度及推广应用的关键因素。

常见的bdfm转子结构型式主要有三种，即笼型、绕线型、磁障型。从制造工艺来看，笼型转子最为简单，磁障型及绕线型转子较为复杂；从磁场调制效果来看，轴向叠片的磁障型转子最好，绕线型转子次之，笼型转子较差。对于笼型转子，根据是否带公共笼条和公共端环，可分为四种：(a)无公共笼条无公共端环；(b)带公共笼条无公共端环；(c)带公共端环无公共笼条；(d)带公共笼条和公共端环。bdfm笼型转子具有较好起动能力和异步运行能力，可采用类似于传统感应电机的转子制造工艺，适于大容量电机，引起国内外学者广泛关注。

然而，转子磁场调制效果不佳，效率等运行性能差仍然是制约笼型转子bdfm推广应用重要因素。与常规交流电机相比，笼型转子bdfm结构特殊，在电磁耦合机理及其结构设计方面，仍有一些基础理论及关键技术问题尚有待研究解决，bdfm内部的电磁耦合关系十分复杂，其笼型转子几何结构相关参数对磁场调制效果影响的分析尚不够深入，且结论并未取得完全一致。笼型转子结构型式多样，对于如何深入挖掘笼型转子在改善转子磁场调制效果方面的潜力，从而提高bdfm运行性能的研究尚不够深入和全面。

在国外，英国学者基于等效电路参数法分析了转子导条数、导条跨距等对笼型转子阻抗参数的影响，并研制了1台250kw的笼型转子bdfm，其效率及功率因数可达90％以上；巴西学者研究了绕线式笼型转子，转子槽非均匀分布，相邻转子巢外环线圈共用一个槽，实验表明额定效率可达90％；伊朗学者提出了串联式笼型转子，实验表明该转子样机运行效率为76.6％。在国内，中国矿业大学提出了一种等距笼型转子，每巢各回路节距相等，感应电动势大小相等，回路电流大小均匀；沈阳工业大学提出了磁障与笼条相结合的新型混合径向叠片转子结构，实验表明该转子样机的输出功率比磁障式磁阻转子平均高出17％；重庆大学学者通过理论分析，阐述了笼型转子bdfm的磁场调制机理，有限元分析表明，对磁场调制起主要作用的是靠外的短路环，通过调整转子短路环分布可增强有用谐波磁场，抑制无用谐波磁场。综上所述，bdfm笼型转子制造工艺简单，结构型式灵活，对于提高bdfm运行性能，具有较大潜力可挖。

由此可见，可对bdfm笼型转子结构进行多种不同形式的尝试，如磁阻与短路环混合型、等距笼型以及串联笼型等。然而，目前笼型转子bdfm的磁场调制效果并未得到显著改善，磁场调制基本原理尚未完全阐明，效率等运行性能差的问题依然存在，对于bdfm笼型转子及其改型设计的研究也缺乏一致的结论，且笼型转子结构形式多样，在改善转子磁场调制效果、提高电机运行性能等方面仍有较大潜力。因此，笼型转子结构改型设计仍为值得进一步研究的课题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种无刷双馈电机混联式笼型转子结构，本笼型转子能够提高bdfm样机的运行效率及功率因数等运行性能。

本发明同时还提供该特殊结构转子绕制方法，以解决该混联笼型转子绕制不便、绝缘性能不佳、焊接不牢靠的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

无刷双馈电机混联式笼型转子结构，在转子铁心上包含多个沿铁芯圆周均布的转子巢，转子巢的数量与对应定子两套绕组的极数配合有关，每个转子巢由多个回路构成，每个转子巢的多个回路由内向外设置，任何一个回路对应的闭合线圈位于与之相邻的外圈回路对应的闭合线圈内；其特征在于：每个转子巢中至少存在两个并列布置的线圈组，线圈组之间彼此分开独立，无电气连接；至少有一个线圈组是由两个或两个以上相邻回路串联并自行闭合而成的串联组合。

优选地，转子共32个铁心槽和4个转子巢，每巢4个回路，每个回路占用两槽；由内向外依次为第一回路、第二回路、第三回路和第四回路；其中第一回路和第二回路串联构成第一串联组合，第三回路和第四回路串联构成第二串联组合；第一串联组合和第二串联组合无电气连接地彼此独立。

上述无刷双馈电机混联式笼型转子结构绕制方法，对于转子巢所涉及的串联组合中两个回路，根据其长度及槽型尺寸，预先将一根长的完整软铜线一圈一圈地连续绕制成凹型，直到达到需要的圈数，每圈的长度为串联组合中两个回路铜线的长度之和，得到横截面与转子槽横截面积匹配的粗线圈，该粗线圈只有两个出线端头；根据串联组合中两个回路的拓扑结构，将构成该凹型粗线圈中间凹槽部分的u型线圈按对称中心线翻转180°而其余线圈不动的方式进行折叠，从而形成需要的串联组合，再沿着转子槽口将已制成的串联组合嵌入对应转子铁心槽中，则串联组合涉及的两个回路的线圈在空间上只重叠交叉一次，最后只需将粗线圈两个出线端头焊接即可，使得所串联的回路自行闭合。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、由于混联式转子内外所各自串联的回路彼此分开，避免了外环较大的电流被迫流经内环回路而增加转子的等效电阻。因此，本发明转子等效电阻较低，可使转子绕组电流引起的绕组铜耗减小。

2、本发明相串联的两回路电流相等，内外并联的回路电流幅值相差较小，整个转子电流分布较平衡，转子磁动势趋于正弦分布，谐波含量较低。

3、本发明混联式笼型转子使bdfm样机运行时定子绕组电流有所下降，效率及功率因数均明显提高，运行时温升较低，能够长时间带载运行。

4、本发明混联式笼型转子bdfm样机减少了转子槽数，简化了结构，降低了加工难度及制造成本。

附图说明

图1-本发明混联式笼型转子绕组示意图。

图2-转子1结构示意图。

图3-每转子巢磁动势波形图。

图4-bdfm磁密云图分布图。

图5-空载气隙磁密波形图。

图6-气隙磁密频谱分析图。

图7-nr＝600r/min时控制绕组电流图。

图8-控制绕组仿真电流频谱分析图。

图9-每转子巢短路环电流图。

图10-异步运行性能对比图。

图11-同步变载运行性能对比图。

图12-空载电流对比图。

图13-nr＝600r/min时功率绕组实测电压及电流波形图。

图14-nr＝600r/min时控制绕组实测电流波形对比图。

图15-控制绕组实测电流频谱对比图。

图16-恒载变速运行性能对比图。

图17-超同步nr＝900r/min时变载运行性能对比图。

图18-亚同步nr＝600r/min时变载运行性能对比图。

图19-超同步nr＝900r/min时功率因数调节运行性能对比图。

图20-亚同步nr＝600r/min时功率因数调节性能对比图。

图21-本发明串联组合绕制方法示意图。

具体实施方式

目前的研究表明，随着转子巢内短路环数增加，转子磁场调制效果增强，转子谐波漏抗及电阻减小，当短路环数超过一定数量时，转子铁心趋于饱和，转子阻抗减小幅度也逐渐降低。随着短路环数增多，转子巢中短路环节距不等，各短路环电流分布不平衡，笼型转子绕组磁动势非正弦分布，包含了丰富的无用谐波磁动势。且由于转子电流分布不均，转子导体等效截面积变小，等效电阻较大，这样既降低了材料的利用率，也使转子绕组发热不均，增加bdfm运行时的铜耗。

因此，合理设置转子巢短路环数及跨距，并使转子电流分布得当，可避免转子铁心过度饱和，降低其等效电阻，改善磁场调制效果，从而提高笼型转子bdfm运行效率和功率因数等运行性能。

鉴于此，本发明提出了一种无刷双馈电机混联式笼型转子结构，在转子铁心上包含多个沿铁芯圆周均布的且完全相同的转子巢，转子巢的数量与对应定子两套绕组的极数配合有关，每个转子巢由多个回路构成，每个转子巢的多个回路由内向外设置，任何一个回路对应的闭合线圈位于与之相邻的外圈回路对应的闭合线圈内；每个转子巢中至少存在两个并列布置的线圈组，线圈组之间彼此分开独立，无电气连接；每个线圈组可以是由两个及以上相邻回路串联并自行闭合而成的串联组合，也可以是不参与串联的单个回路，但至少有一个线圈组是串联组合。

本发明的核心是每转子巢中有两个及以上并列布置的线圈组，线圈组之间分开独立，每个线圈组可以是由两个及以上相邻回路串联并自行闭合而成的串联组合，也可以是不参与串联的单个回路，但至少有一个线圈组是串联组合。每巢中的串联组合可以只有一个，也可以是两个，串联组合数量理论上不限，剩下的没有串联的所有回路与串联组合彼此并列布置即可。

优选地，转子共32个铁心槽和4个转子巢，每巢4个回路，每个回路占用两槽；由内向外依次为第一回路、第二回路、第三回路和第四回路；其中第一回路和第二回路串联构成第一串联组合，第三回路和第四回路串联构成第二串联组合；第一串联组合和第二串联组合无电气连接地彼此独立，具体结构见图1。实施例中混联式笼型转子结构每巢4个回路，内外回路各自两两串联并自行闭合，内外彼此独立，则内外回路并列布置，相当于并联，但又不存在传统并联的电气连接，故本发明称之为并列结构，再加上串联组合，因此叫混联式。相串联的两回路电流相等，内外并联的回路电流幅值相差较小，整个转子电流分布较平衡。

关于混联式笼型转子的绕制：

采用散下线方案。在采用散下线方案进行转子线圈加工的过程中，一个转子槽中的线圈需要与另一转子槽的线圈进行连接闭合，如何避免两个转子槽的线圈集中焊接时出现线头漏焊、虚焊的问题，是本混联式笼型转子需解决的主要问题。特别是本转子涉及两回路的串联，如果按传统方法直接在转子槽中绕制，每绕制一圈将产生一个交叉，非常不便，效率也很低。经过反复思考和尝试，最后采取了如下的下线方法：对于转子巢所涉及的串联组合中两个回路，根据其长度及槽型尺寸，预先将一根长的完整软铜线一圈一圈地连续绕制成凹型，直到达到需要的圈数，每圈的长度为串联组合中两个回路铜线的长度之和，得到横截面与转子槽横截面积匹配的粗线圈，该粗线圈只有两个出线端头；根据串联组合中两个回路的拓扑结构，将构成该凹型粗线圈中间凹槽部分的u型线圈按对称中心线翻转180°而其余线圈不动的方式进行折叠，从而形成需要的串联组合，再沿着转子槽口将已制成的串联组合嵌入对应转子铁心槽中，则串联组合涉及的两个回路的线圈在空间上只重叠交叉一次，最后只需将粗线圈两个出线端头焊接即可，使得所串联的回路自行闭合。具体绕制方法可以参看图21，即相当于将线圈2和线圈3交换位置，相应地连接线圈2和线圈3的下方水平线圈两端对调，外周的线圈1和线圈4不动。由此可保障转子线圈的绝缘性能以及焊接的可靠性，而且这样的绕制方法快速、简单，只有一次重叠交叉，只有一个接头，效率和质量都得到明显提高。

为了说明本混联结构转子的技术优势，下面将本发明的转子和现有转子进行如下多方面性能的比较，其中转子1为现有结构转子，转子2为本发明混联结构的转子。转子1结构如图2所示，转子1为44槽，采用带公共笼条和公共端环的笼型转子结构，共4个巢，每巢6个短路环。转子2结构如图1所示，共32槽，包含4个转子巢，每巢4个回路，内外回路各自两两串联并自行闭合，彼此独立。

一、转子巢磁动势波形对比

图3为每个转子巢磁动势波形对比图。由图3可见，转子2的磁动势分布接近正弦分布，磁场调制效果较好，增强了转子产生的有用谐波磁场，抑制无用的高次谐波磁场。此时，一方面可减少bdfm运行中谐波磁场引起的铁耗以及谐波电流引起的铜耗，提高电机运行效率；另一方面，抑制转子无用谐波磁场可降低铁心饱和程度、减小转子谐波漏抗，从而减小bdfm的励磁电流，提高功率因数；此外，由于转子槽数减少，可增加转子齿距，有效避免转子齿部出现过饱和；对于传统的每巢所有回路依次串联的转子，每巢各笼条电流相等，可使转子磁动势更加类似正弦分布，磁场调制效果更好，但当外环较大的电流被迫流经中间节距较小的短路环时，对转子磁场调制效果的改善并不明显，却使得转子回路等效长度增长，转子等效电阻变大。相比之下，由于本发明转子2内外所各自串联的回路彼此分开，避免了外环较大的电流被迫流经内环回路而增加转子的等效电阻。因此，转子2等效电阻较低，可降低转子绕组电流产生的铜耗，提高效率。

二、有限元对比分析

为了进一步说明本发明提出的转子2的优越性，保持定子结构及其参数相同，采用时步有限元法对两个不同转子bdfm样机进行计算与分析比较，仿真步长取为0.001s。功率绕组均施加工频电压，控制绕组短接，异步起动0.4s后切换为60v/10hz反相序电压供电，空载运行，转速均稳定于600r/min。稳定后某一时刻磁密云图分布如图4所示。

由图4可见，转子1铁心中出现4处明显饱和，其中转子齿部最窄处磁密为1.86t；转子2铁心饱和程度有所降低，仅有两处出现明显饱和，其中转子齿部最窄处磁密为1.73t。气隙磁密波形如图5所示，其频谱分析结果如图6和表1所示。由此可见，气隙磁密中除了有用的1、3次磁场之外，还包含无用的5、7次等谐波磁场，以及由于定转子表面开槽引起的高次齿谐波。相比之下，转子2的基波含量增加了6.7％，3次谐波略有减小，5、7次无用谐波含量明显削弱，有效增强了有用谐波、抑制无用谐波，提高转子磁场调制效果。

表1气隙磁密谐波含量

对于上述bdfm样机的定子绕组结构，转子绕组产生5、7次谐波磁场将在控制绕组中分别感应出角频率为ωp±2ωc、2ωp±ωc的电动势及电流(两套绕组同相序接法取正，反相序接法取负)，但不能在功率绕组中产生感应电动势，则当转子转速为600r/min时，控制绕组中分别产生频率为30hz和90hz谐波感应电动势及电流。控制绕组电流ic的波形及频谱分析结果如图7、8所示。

由图7、8可知，bdfm稳定运行时，转子1控制绕组电流波形畸变较明显，30hz和90hz谐波电流含量较大；转子2控制绕组电流波形达到稳定的时间较长，但稳定后波形较接近正弦，高次谐波含量均有不同程度降低。

对于转子导条电流，如图9所示，同一转子巢内，转子1各回路电流不等，公共笼条的电流幅值远大于其它内环电流；而转子2相串联的两回路电流相等，幅值较小，且内外环电流差距较小，电流分布较平衡。由此可见，转子2的磁场调制效果更好，铁心饱和程度更低，转子导条电流分布更平衡，能降低bdfm运行时的铁耗及铜耗，提高稳态运行性能。

以上采用有限元法对磁场分布、气隙磁密波形、定转子电流等进行分析对比，说明本发明混联式转子bdfm样机铁心饱和程度较低，转子磁场调制效果较好，相比于现有笼型转子bdfm样机，混联式新转子bdfm样机具有更好的运行性能。

由于混联式转子内外所各自串联的回路彼此分开，避免了外环较大的电流被迫流经内环回路而增加转子的等效电阻。因此，新转子等效电阻较低，可使转子绕组电流引起的绕组铜耗减小。

三、实验对比分析

综上所述，转子2样机具有良好的稳态运行性能。因此，对转子2进行试制，采用散下线加工工艺，使转子每巢的4个回路内外分别两两串联并各自闭合，彼此独立。两个不同转子共用同一个定子，在相同前提条件下，分别进行两个转子样机作为电动机的多工况稳态运行性能对比实验。

令η、分别表示样机的运行效率和功率绕组的功率因数，其中：

η＝p2/(pp+pc)

式中：p2表示bdfm转轴输出机械功率；pp、pc分别表示功率绕组和控制绕组电源提供的有功功率。

3.1异步实验

控制绕组直接短路，样机异步运行。改变负载转矩tl大小，测得样机异步运行时的变载运行特性曲线，如图10所示，其中ip表示功率绕组电流。

异步运行时，bdfm的稳态转速与电机结构参数有关。由图10可知，由于转子结构不同，两转子样机异步运行时稳态转速存在差异，但仍具有相同的运行规律。随着负载转矩的增大，转速下降，两转子样机功率绕组电流、功率因数、效率均随之上升，负载转矩超出一定范围后，效率均呈下降趋势。当施加相同负载转矩，相比于转子1，转子2样机功率绕组的功率因数较接近，但电流约降低一半，效率明显提升。

3.2同步实验

控制绕组三相绕组通过“两并一串”的方式施加直流电源，保持直流电压35v不变，样机同步运行，转速恒为750r/min，不受负载转矩影响。调节负载转矩，测得两转子样机在同步运行时的稳态特性曲线，如图11所示。由此可见，随着tl增加，两转子样机功率绕组电流及效率整体呈上升趋势，转子2效率高于转子1。对于功率因数，转子2样机明显占优，基本在0.8以上。

3.3双馈实验

通过变频器给控制绕组供电，当控制绕组与功率绕组的电流同相序或反相序时，bdfm分别运行于双馈超同步或亚同步状态。

3.3.1空载变频运行

bdfm运行时定子绕组空载电流大小受转子磁场调制效果及铁心饱和程度的影响。调节变频器输出电流频率及相序，使样机在0-1500r/min全转速范围内运行。测得两转子样机定子绕组空载电流随转速的变化曲线，如图12所示。此外，为验证两转子磁场调制效果，使样机在亚同步600r/min空载运行，在施加相同激励的条件下，得到功率绕组电压、电流波形如图13所示，以及控制绕组电流波形及其频谱分析，如图14、15所示。

由图12可见，两转子样机调速范围较宽，均能在0-1500r/min范围内稳定运行，电流变化规律大致相同。与转子1样机相比，转子2样机空载电流显著下降，维持在较低水平；由图13-15可见，两转子样机功率绕组电压、电流波形正弦度均较好，且转子2样机功率绕组电流幅值较小，控制绕组电流中10hz的电流分量较小，30hz、90hz谐波电流含量较低。空载实验结果说明，转子2的槽数减少，转子铁心饱和程度降低，所需励磁电流较小，转子每巢4个回路内外分别两两串联，电流分布较均衡，使得转子磁动势分布趋于正弦，能增强有用谐波磁场，抑制无用谐波磁场，具有较好的磁场调制效果，能够提高bdfm运行效率等性能，符合前文中理论分析及有限元计算结果。

3.3.2负载变频运行

为使bdfm稳定运行，变频调速时使控制绕组的压频比有所调整。因此，功率因数及效率的变化趋势并不具明显规律，仅作为两转子样机稳态运行性能的比较。分别进行恒载(tl＝20n.m)变速和变载恒速实验，相关运行特性曲线如图16-18所示。

由图16可见，在宽转速范围内，转子2的效率及功率因数均有不同程度提升，其中效率改善效果最为明显，平均涨幅为30％。由图17、18可见，在变载恒速时，两转子样机各物理量变化规律基本一致，相比之下，转子2效率及功率因数均有改善。

由于bdfm运行性能与控制绕组侧施加电压的压频比有关，为使性能比较更准确，下面进行功率因数调节实验。在恒载恒速时，调节控制绕组的压频比，测得运行特性曲线如图19、20所示。功率因数均随着控制绕组电压uc增加而上升至1，当uc大于一定值时，功率因数将由滞后变为超前，并逐渐下降，但转子2样机定子电流始终较小，效率较高。

通过混联式转子样机的研制及两种不同转子结构样机的稳态运行性能对比实验。结果表明了混联式笼型转子bdfm样机减少了转子槽数，简化了结构，降低了加工难度及制造成本；混联式笼型转子使bdfm样机负载运行时定子绕组电流有所下降，效率及功率因数均明显提高，运行时温升较低，能够长时间带载运行。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。