本发明涉及一种无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化方法。
背景技术：
大力发展可再生能源已成为人类社会经济发展的必由之路。在各种可再生能源利用技术中，风力发电以其资源分布广、储量大、技术相对成熟而得到快速发展。自2012年以来，我国的风电累计装机容量跃居世界第一，成为自火电和水电之后的第三大发电方式。
但随着风电开发速度的不断加快，陆上风力资源开采正逐渐饱和，海上风电成为主要发展方向。然而，海上的特殊环境，使风电机组的运输、安装、维护均十分困难，制造和维护成本均大幅提高，而流固耦合以及盐雾等因素又导致海上风电机组的故障率高、寿命短。为了降低单位成本，单机容量不断增大，目前试运行的最大风电机组容量已达10mw，仅永磁发电机重量达230吨，给塔架带来严峻挑战。因此，研究开发轻量化、高可靠、免(少)维护的风电机组已成为海上风电发展的迫切需求。
无刷双馈电机(bdfim)是一种无需电刷和滑环即可实现变速恒频运行的发电机，有望取代传统的有刷双馈电机，成为新的技术发展路线。尽管无刷双馈电机经多年研究，取得了显著进步，但至今未能实现商业应用。其原因主要是：(1)与有刷双馈电机相比，无刷双馈电机的功率密度仍有一定差距；(2)因无刷双馈电机的电磁耦合关系复杂，精确建模和控制难度大；(3)传统无刷双馈电机的两套绕组都放置在同一个定子上，直接磁场耦合很难完全避免，导致电压谐波较大，不仅影响电能质量，而且产生额外损耗，降低系统效率。
为了实现更高的功率密度和更紧凑的电机结构，双定子无刷双馈感应电机应运而生。这种电机将容量较大的功率绕组放置在外定子，容量较小的控制绕组放置在内定子，在转子内、外层各放置一套三相分布绕组(即所谓的绕线转子)，在转子一端反相序连接，这样既提高了空间利用率，又避免了功率绕组与控制绕组磁路直接耦合。然而，研究发现，绕线转子设计存在转子电阻大、损耗高、效率较低的问题。特别是内外层气隙仅为1mm左右，而径向分布的控制绕组和功率绕组占据较大的端部空间，导致定、转子绕组端部的气隙过小。当电机高速运行时，定子与转子绕组端部易发生摩擦，造成绕组短路和机械运行故障。
技术实现要素：
本发明的目的，在于提供一种无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化方法，其可提升交错双笼转子无刷双馈电机性能，减小加工制造难度。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化结构，所述双笼转子包括控制内笼转子和功率外笼转子，功率外笼转子位于控制内笼转子的外部，二者之间设置有隔磁环；功率外笼转子上设有外转子铁心，控制内笼转子上设有内转子铁心，外转子铁心、内转子铁心上分别设置有若干槽，槽内均设有导条，内笼转子导条和外笼转子导条的一端分别用端环短接，在另一端进行交错连接；所述拓扑优化方法包括导条连接长度优化、导条交叉层数的计算、导条局部解耦和导条对称性排布。
上述导条连接长度优化的具体内容是，若导条电阻保持相同，则实际连接长度由拓扑中最长的那根导条决定。
上述导条交叉层数s的计算公式是：
其中，z为转子槽数，gcd(pp，pc)表示功率极对数pp和控制极对数pc的最大公约数，外括号表示向上取整。
上述导条局部解耦的具体内容是，当某个拓扑中最长的导条在所有拓扑中有着最小长度时，该拓扑为最大解耦情况。
上述导条排布对称性包含空间排布对称性，具体内容是，将导条对称排布，双笼转子形成的空间对称区域个数表示为：
其中，gcd(pp，pc)表示功率极对数pp和控制极对数pc的最大公约数。
上述导条排布对称性包含导条长度对称性，用节距评估端部导条长度，计算步骤是：
a，计算每根导条的节距；
b，将所有导条节距相加求和，再除以转子槽数，得到每层的平均节距长度；
c，实际导条排布时，使每层节距之和尽量与平均节距相同。
采用上述方案后，本发明综合考虑了不同极槽配合下的不同拓扑结构、端部堆叠层数、导条排布对称性对电机的电磁性能、机械运行情况(偏心)和加工难度产生的影响，旨在提升电机性能，减小加工制造难度。
本发明无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化方法，可提升交错双笼转子无刷双馈电机在双馈模式下的电机性能，简化加工制造工艺。双笼转子拓扑结构的优化方法数学表达清晰简洁、物理意义明显，反映电机运行特性，能够清楚有效的简化双笼转子结构，为双笼转子无刷双馈电机的设计提供指导作用。
附图说明
图1是无刷双馈电机及其双笼转子结构示意图；
图2是无刷双馈电机双笼转子立体结构示意图；
图3是双笼转子导条简化连接示意图；
图4是导条长度优化下的端部拓扑结构示意图；
图5是导条交叉层数及空间排布对称性示意图；
图6是局部解耦下的端部拓扑结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1和图2所示，是本发明研究的无刷双馈电机双笼转子，包括控制内笼转子5和功率外笼转子3，功率外笼转子3位于控制内笼转子5的外部，二者之间设置有隔磁环6；功率外笼转子3上设有外转子铁心4，控制内笼转子5上设有内转子铁心7，外转子铁心4、内转子铁心7上分别设置有若干槽，槽内均设有导条。内笼转子导条和外笼转子导条的一端分别用端环短接，在另一端进行交错连接，如图3所示。所述导条的具体连接关系可参考中国专利申请号201910584625.x，在此不再赘述。
上述双笼转子可应用于无刷双馈电机中，所述无刷双馈电机包括由外而内的外定子、双笼转子、内定子，其中，外定子包括外定子铁心1，其上设有功率绕组2；内定子包括内定子铁心9，其上设有控制绕组8。
该无刷双馈电机双笼转子是基于控制内笼转子5和功率外笼转子3构建而成，控制内笼转子5和功率外笼转子3之间仅通过电路连接，空间磁路上采用隔磁环6进行隔绝，保证内层控制子系统和外层功率子系统之间的磁场不会直接耦合。内笼转子和外笼转子在电路上的电流幅值与电流频率相等的同时，要满足无刷双馈电机双馈运行条件，就必须实现内外转子磁场的反向，即内笼转子和外笼转子反相序连接。因此，内笼转子和外笼转子的导条在一端用两个端环分别短接，而在另一端进行交错连接。当内层转子感应出电流流向外层转子时，能够实现内外层转子的磁场反向，保持无刷双馈电机的双馈运行模式。
以上所述的交错双笼无刷双馈电机，在保留原有双定子感应电机优点的同时，减小电机转子铜耗，提升电机效率，以及解决电机运行可靠性问题。但是双笼转子端部的连接方式决定了该电机的端部拓扑较为复杂，需要进行特殊优化。基于此，本发明还提供一种双笼转子的拓扑优化方法，包括导条连接长度优化、导条交叉层数的计算、导条局部解耦和导条对称性排布，下面以这种电机结构为例说明双笼转子导条的拓扑结构优化。
(1)导条连接长度优化：
在双笼转子电路连接保持不变，转子槽数在已经标定的情况下，保持少槽转子固定不动，对多槽转子进行旋转，就会改变两个转子的相对位置，进而改变转子连接拓扑，导条的连接长度也会跟着改变。若导条电阻保持相同，则实际连接长度是由拓扑中最长的那根导条决定的。
图4所示内笼转子5和外笼转子3都为2对极，转子槽数都为8槽的双笼转子所形成的不同拓扑结构(通过旋转内笼转子槽距角)。从图中可以看出，拓扑是存在重复的，例如拓扑2和拓扑8的结构就完全相同。但是不同的拓扑间，转子导条的连接长度是不一样的。若是某个拓扑中的所有导条电阻全部相等，那么导条长度也要一样长，则实际练连接的长度是拓扑中最长的那根导条决定的。以拓扑6为例，该拓扑中最长导条的是1-1，若要保持电阻相等，其他的导条连线也要与1-1相等，所以选择拓扑的标准则是拓扑中最长的导体是所有拓扑(指最长导条)中的最小值。以本实施例说明，拓扑1中最长的导条为2-4，节距为2，其他拓扑的最长导条都要大于2，所以最优的结构是拓扑1。
(2)导条交叉层数计算：
由于端部导条之间相互交叉，不能在同一平面连接，所以必然会从端部层叠。端部层叠的层数会直接影响端部的连接长度以及轴向长度。交叉层数越少，电机拓扑越简单，加工越容易。端部导条的交叉层数可以总结为：
其中，z为转子槽数，gcd(pp，pc)表示功率极对数pp和控制极对数pc的最大公约数，外括号表示向上取整。
图5所示为内笼转子5为1对极，外笼转子3为2对极，槽数都为40的双笼转子连接示意图。根据极槽配比的研究，导条端部的交叉层数的计算公式为：
将电机参数代入上式，计算出交叉层数为14层。交叉层数越多，双笼转子端部越复杂，端部越长，加工难度越大。但是槽数增加会对电机性能有增益效果，所以需要平衡电机性能与交叉层数之间(加工制造)之间的关系。
(3)导条局部解耦：
局部解耦的含义是相同的连接方式所产生的不同拓扑，它们有着不同的交叉层数。即使双笼转子的导条连接顺序相同，也会产生不同拓扑结构，不同的拓扑之间有着不同的交叉层数。旋转端部一定角度可以使交叉的导条局部解耦，形成比第(2)点计算结果更少的交叉层数。当某个拓扑中最长的导条在所有拓扑(指最长导条)中有着最小长度时，该拓扑为最大解耦情况。
图6所示为内笼转子5和外笼转子3都为2对极，槽数都是10，所产生的不同拓扑结构。由拓扑6和拓扑2可以看出，拓扑6有两个对称区域，每层只能排布两根导条，所以10槽需要轴向叠加五层才能将转子导条放下，而拓扑2有4个对称区域，意味着一层可以放下4根导条，只需要3层就可以排完。所以不同的拓扑确实可以实现交叉线的局部解耦。但是局部解耦一般只发生在槽数较少时，当槽数较多时，基本就是一种连接方式。
(4)导条排布对称性：
主要体现在：
(41)空间排布对称性
导条空间排布如果不对称，在电机运行时容易偏心，产生机械故障，所以导条对称排布是非常有必要的。双笼转子形成的空间对称区域个数可以表示为：
图5所示的内笼转子5为1对极，外笼转子3为2对极，槽数都为40的双笼转子所形成的对称区域为3个，代表每层可以排布3根导条，40槽电机需要14层能排完所有导条。对称区域个数的计算公式为：
(42)导条长度对称性
端部导条长度可以用节距来评估，其计算步骤如下：1)计算每根导条的节距；2)将所有导条节距相加求和，再除以转子槽数，得到每层的平均节距长度；3)实际导条排布时，使每层节距之和尽量与平均节距相同。
表1列出了内笼转子5为1对极，外笼转子3为2对极，转子槽数都为14槽的双笼转子槽号连接顺序及连接导条的长度(节距)。从表中的数据可以计算出总节距为49，交叉层数为5，平均节距为9.8。根据每层节距之和尽量等于平均节距的原则，将导条分层如下(以内笼转子槽号表示)：
1)4-5-6，节距之和11.5；
2)9-12-13，节距之和10.5；
3)1-2-8，节距之和9.5；
4)10-11-3，节距之和9.5；
5)7-14，节距之和8。
1)层到5)层是沿轴向由内而外排开，内层的节距比外层要长些，因为外层导条还要叠加轴向长度。
表1
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
1.一种无刷双馈电机双笼转子的拓扑优化方法，所述双笼转子包括控制内笼转子和功率外笼转子，功率外笼转子位于控制内笼转子的外部，二者之间设置有隔磁环；功率外笼转子上设有外转子铁心，控制内笼转子上设有内转子铁心，外转子铁心、内转子铁心上分别设置有若干槽，槽内均设有导条，内笼转子导条和外笼转子导条的一端分别用端环短接，在另一端进行交错连接；其特征在于：拓扑优化方法包括导条连接长度优化、导条交叉层数的计算、导条局部解耦和导条对称性排布。
2.如权利要求1所述的拓扑优化方法，其特征在于：所述导条连接长度优化的具体内容是，若导条电阻保持相同，则实际连接长度由拓扑中最长的那根导条决定。
3.如权利要求1所述的拓扑优化方法，其特征在于：所述导条交叉层数s的计算公式是：
其中，z为转子槽数，gcd(pp，pc)表示功率极对数pp和控制极对数pc的最大公约数，外括号表示向上取整。
4.如权利要求1所述的拓扑优化方法，其特征在于：所述导条局部解耦的具体内容是，当某个拓扑中最长的导条在所有拓扑中有着最小长度时，该拓扑为最大解耦情况。
5.如权利要求1所述的拓扑优化方法，其特征在于：所述导条排布对称性包含空间排布对称性，具体内容是，将导条对称排布，双笼转子形成的空间对称区域个数表示为：
其中，gcd(pp，pc)表示功率极对数pp和控制极对数pc的最大公约数。
6.如权利要求1所述的拓扑优化方法，其特征在于：所述导条排布对称性包含导条长度对称性，用节距评估端部导条长度，计算步骤是：
a，计算每根导条的节距；
b，将所有导条节距相加求和，再除以转子槽数，得到每层的平均节距长度；
c，实际导条排布时，使每层节距之和尽量与平均节距相同。
技术总结