双转子电机及其应用的分析

双转子电机及其应用的分析Analysis on Double Rotor Motor and Its Applications构的不同重新给予命名，最后对其应用情况作出了简要介绍。

1 双转子电机的结构和原理目前，理论较成熟的的双转子电机主要有四种：双转子同-异步电机、鼠笼式双转子电机、对转双转子永磁电机和永磁无刷双转子电机。

这四种双转子电机在结构和原理上各不相同。

1.1 双转子同-异步电机双转子同-异步电机在有的文献中被称为双转子异步电机[1]，由于其内、外电机分别作同步电机和异步电机运行，为了更好的与其它双转子电机相区别，文中称之为双转子同-异步电机。

它由一个定子与内、外两个转子构成，外转子为杯形转子，其上的内、外侧绕组反相序联结，其中外侧绕组靠近定子绕组，故称为杯形转子的定子侧绕组，而其内侧绕组则称为杯形转子的励磁转子侧绕组。

这种双转子电机可看作内、外两个电机组成的复合电机，定子与杯形转子外侧绕组构成外电机，是一个异步电机；杯形转子内侧绕组作为定子、励磁转子作为转子构成内电机，是一个同步电机，其结构图如图1。

定子三相对称绕组加以三相对称电流，产生旋转磁场，励磁转子相对于定子以转速n 0与旋转磁场同步运行。

而杯形转子相对定子以转速n 旋转，故存在转速差Δn ，转子绕组切割旋转摘 要：给出几种类型的双转子电机的结构和原理，分析了双转子电机与内燃机混合动力驱动系统的运行过程及其在风力发电系统中的应用，指出了应用中所存在的问题。

关键词：双转子电机 永磁 混合动力驱动 风力发电 内燃机Abstract: It gave the brief introduction about the stru-cture and principle of several kinds of double rotor motors. The operational process of hybrid power driving system comprising of double rotor motor and that in the internal combustion engine as well as application in Wind Power Generation System was analyzed. The problems existing in these applications were pointed out.Keywords: Double rotor motor Permanent magnet Hybrid driving system Wind power generation Internal combustion engine传统的电动机一般只有一个定子和一个转子，无论是直流机、同步机还是异步机，都只有一个机械端口。

近年来，有人提出了双转子电机的概念，这种电机具有2个机械轴，可以实现2个机械轴能量的独立传递。

这种新型电机极大的减小了设备的体积和重量，提高了工作效率，能很好的满足节能和调速的要求，有着优越的运行性能，因此，在许多领域有着很好的应用前景。

目前，许多文献中所提的双转子电机种类很多，虽然都被称为“双转子电机”，但在结构和原理上各不相同。

本文对研究较为深入的几种双转子电机作简要的原理分析和对比，并根据其原理和结磁场，产生感应电动势和电流，从而产生电磁转矩驱动负载。

当双转子同-异步电机的内转子通入一定的励磁电流并以一定的角速度旋转时，就会形成磁场，而这个磁场与级联式无刷双馈电机（Casade Brushless Doubly-Fed Machine）功率侧定子绕组通入角频率相同的三相正弦交流电流时所产生的磁场相同。

将C B D F M中功率侧定子绕组替换为励磁式转子，则其控制侧定子绕组可作为定子侧绕组，而C B D F M的两套反相序联接的转子绕组则可看作是杯形转子内、外侧绕组。

从这个角度上讲，这种双转子电机也可以看作由C B D F M演变而来[2]。

双转子同-异步电机的内、外电机均可独立运行，根据需要可使电机运行于起动、电动机状态、两转子同步运行状态和两转子升降速异步状态等多种状态。

因此，这种电机可以用在混合动力系统中，如电动汽车、潜艇等。

1.2 鼠笼式双转子电机图2为一种鼠笼型双转子电机系统。

在结构上与双转子同-异步电机不同的是，鼠笼型双转子电机外转子的两侧均有一套鼠笼绕组。

其内转子上有绕组，并通过滑环引出至整流器，定子绕组接逆变器。

如果也把这种电机看作内、外两个电机，并都是异步电机，这一点与双转子同-异步电机也是不同的。

这种电机多与内燃机（Internal Combustion Engine，ICE）配合使用，内转子与I C E同轴联接，并从I C E输入机械功率P m1。

内转子绕组上产生的电功率经整流后向电池组充电，外转子的输出轴可以向外输出机械功率P m2，电池组经逆变后与定子相连，定子可将电池组输出的电功率转换为机械功率并通过外转子输出。

鼠笼式双转子电机的内转子与IC E相联接，运行时，I C E带动内转子做机械旋转运动，并对其上的绕组通入交流电流，形成旋转磁场，外转子在电磁转矩的作用下向外输出机械功率。

其外转子的输出转矩为内、外电机产生的转矩之和，即：T o=T is+T os （1）式中：T i s、T o s—分别为双转子电机内、外电机产生的转矩。

如果忽略内、外电机的电磁损耗，整个电机的输出功率为：P m2=P m1+P Bat（2）其中： P Bat—电池组的净输出电磁功率；P m1—输入双转子电机的机械功率；由于鼠笼型双转子电机多与内燃机系统配合使用，故P m1一般指内燃机的输出功率，也记做P ICE[3]。

1.3 对转双转子永磁电机对转双转子永磁电机利用作用力与反作用力原理，将传统电机的定子作为外转子，原有的转子作为内转子，两者作反向运动[4]。

其外转子上有电枢绕组，内转子由于安装有永磁体，所以又称为永磁体转子。

永磁体磁场与电枢绕组所产生的磁场相互作用，产生电磁转矩。

由于两个转子的机械轴是相互独立的，根据牛顿第三定律，两个转子之间产生大小相等、方向相反的电磁力矩，使得内、外转子以相反的转速转动。

这种电机的结构比上述两种更加简单，所以在制造过程中，可以大大减少原材料，降低电机的制造成本，而且易于进一步的研究以及维修。

对转双转子电机具有转速高、质量轻、尺寸小并且能够改善电网功率因数等优点。

1.4 永磁无刷双转子电机图1 双转子同-异步电机的结构图2 鼠笼型双转子电机系统永磁无刷双转子电机是在对转双转子永磁电机基础上改进而来的。

这种双转子电机也是对转式电机，内、外转子向相反的方向旋转，其运行原理也与对转双转子永磁电机相近。

由于电枢也旋转，所以电枢三相绕组必须通过滑环引出。

永磁无刷双转子电机兼具对转双转子永磁电机和永磁无刷直流电机的某些优点，所以它有着更加广泛的应用前景，也吸引越来越多的国内外学者进行研究。

但由于永磁材料磁性能不确定、电机结构特殊以及磁饱和等难题的影响，在双转子永磁电机上实现无刷面临着一些困难，所以目前对这种电机的研究并不深入。

永磁无刷双转子电机与普通的永磁无刷直流电机有许多相似之处，参照永磁无刷直流电机的电流、电压方程即可得出其电流和电压方程[5]。

比较以上四种双转子电机得出结论：前两种电机的两个转子的转动方向相同，其中鼠笼型双转子电机需要与原动机结合使用；后两种电机在稳定运行的状态下，其内、外转子以相同的速率向相反的方向转动，不需要原动机的拖动。

在实际的应用过程中，如果需要两个转子向外输出同一方向的转矩，则需要设置特殊的换向装置。

除了上述的四种电机之外，还有其它类型的双转子电机。

由于目前国内外对双转子电机的研究尚处于基础阶段，有些双转子电机的理论体系并不成熟，而且不同种双转子电机之间有许多相似之处，所以它们之间的界线并不是十分清晰，也没有统一的分类标准。

而每种双转子电机都存在着自身的缺陷和问题，消除这些缺陷、解决这些问题，需要长时间的探索和试验。

2 双转子电机的应用2.1 目前的应用双转子电机最广泛的应用领域有两个，一是在混合动力系统中，二是在风力发电系统中。

因其内、外电机可以独立运行，能实现两个机械轴能量的独立传递，因此，将双转子电机应用于混合动力汽车、混合舰船推进和矿山机械等的驱动系统中，有着良好的性能。

在风力发电系统中，双转子发电机也得到越来越多的应用。

随着节能和环保的不断开展与深入，用混合动力系统代替内燃机驱动系统、用风力发电代替污染较重的火力发电得到了越来越多的研究。

与其他电机相比较，双转子电机在这两个领域中的应用都有着更优越的性能。

2.1.1 混合动力系统将电动机引入汽车驱动系统，是电机界研究多年的课题。

直流电动机、三相感应电动机、永磁电动机以及新型的开关磁阻电机和双凸极电机在应用中都存在一些问题。

在这种情况下，双转子电机与内燃机结合的驱动系统展现了更多的优点。

下面以对转双转子永磁电机为例，说明其在汽车驱动系统中的应用。

作为驱动用的双转子电机安装在汽车的驱动桥上，在电机的左右两侧分别设有用于减速和换向减速的齿轮机构。

其内、外转子分别经左、右侧的齿轮机构向两侧车轮传递，从而驱动车轮转动。

由于其内、外转子是对转，即两转子的转动方向相反，所以，要保持两个车轮同向旋转，除了减速装置外，还需要在内转子与右侧车轮之间安装万向节的装置。

混合动力系统中的万向节一般选用等速万向节，如果能保证电动机的内、外转子的转动惯量基本相等，那么车轮输出的转矩也会基本相等。

对转双转子电机稳定工作的条件是：电磁转矩对于某一转子转速的变化梯度小于作用在该转子的负载对于该转子转速的变化梯度[4]。

通过控制器的矢量控制或磁场向量控制，可以使电磁转矩满足以上条件，即可以使对转双转子永磁电机运行于稳定状态。

电机的外转子绕组通过滑环机构与控制器连接，再与车载电源连接。

控制器包含D C/A C转换器和电机调速装置等。

在汽车行驶的过程中，车载电源向电机供电。

由于这种双转子电机可以实现四象限运行，所以在汽车下坡时，电机可以运行于发电机状态，通过回收装置，将这部分电能回馈至车载电源。

对转双转子电机的驱动系统集驱动、差速、制动能量再生为一体，效率高、重量轻，成本低。

2.1.2 风力发电系统与混合动力系统一样，新能源发电也是节能、环保的一个重要手段。

其中，风力发电是一个经济、环保的发电方式。

直流发电机、同步和异步交流发电机都已经被应用于风力发电系统中。

对转式双转子永磁电机的两个转子沿相反的方向旋转，即使在绝对转速很小的情况下，它们之间的相对转速也会较大。

与其它电机相比，在相同的风力和其他外部条件下，双转子发电机的风能利用率和发电能力都提高一倍[6]。